Soeur aînée de Meg Tilly.Jennifer Tilly se passionne très tôt pour le théâtre et étudie cette discipline à la Belmont High School de Victoria, en Colombie britannique. Installée à Los Angeles, elle se produit sur scène avec les pièces One shoe off de Tina Howe, qui lui vaut un Theater World Award, Boy's life ou encore Tartuffe. Elle remporte d'ailleurs un Dramalogue Award pour sa prestation dans Vanities. Parallèlement, dans les années 80, Jennifer Tilly apparaît dans les séries télévisées Capitaine Furillo, Remington Steele, ou encore Clair de lune.Dès lors, le Septième Art s'intéresse à elle. C'est en 1984 avec No small affair, une comédie de Jerry Schatzberg, qu'elle décroche son premier rôle au cinéma. Dans le même registre, elle enchaîne avec High spirits (1988) de Neil Jordan. A l'aube des années 90, elle fait preuve d'éclectisme, figurant aux génériques de films à tonalité plus dramatique (Susie et les Baker Boys; Les Doors d'Oliver Stone) ou davantage orientés vers l'action (Agaguk de Jacques Dorfmann, Guet-apens). Toutefois, les personnages qu'elle interprète à l'écran restent encore discrets.En 1994, Jennifer Tilly connaît la consécration grâce à Coups de feu sur Broadway de Woody Allen. Son interprétation de la chorus-girl Olive Neal lui vaut d'être nominée à l'Oscar et à l'American Comedy Award de la meilleure actrice dans un second rôle. Dès lors, elle n'hésite pas à s'afficher comme une pin-up et à jouer de son charme troublant et de sa plastique plantureuse, pour incarner aux côtés de Gina Gershon une criminelle bisexuelle dans le polar Bound d'Andy Wachowski et Larry Wachowski. En 1997, elle est citée à l'American Comedy Award du meilleur second rôle pour son interprétation de Samantha Cole, une cliente arriviste de Jim Carrey, dans la comédie Menteur, menteur.En marge de ses rôles, l'actrice prête sa voix à de multiples personnages animés. Outre celle de Tiffany, Fiancee de Chucky et mère du Fils de Chucky, elle est Camille Stout dans Stuart Little, avant de donner vie au personnage de Celia dans Monstres & Cie et à la vache Grace dans La Ferme se rebelle.