Lily James ble født 5. april 1989 i Esher, Surrey. Faren hennes, Jamie Thomson, er skuespiller og musiker, mens bestemoren hennes var den amerikanske skuespilleren Helen Horton, som blant annet hadde medvirket i kultklassikeren (hun hadde stemmen til romskipet «Nostromo»). James begynte på utdanningen sin i Tring, og studerte senere ved Guildhall School of Music and Drama hvor hun ble ferdigutdannet i 2010.