
Tomlin memulai karirnya sebagai komedian stand-up dan tampil di off-Broadway pada tahun 1960-an. Peran terobosannya adalah dalam acara varietas Rowan & Martin's Laugh-In dari tahun 1969 hingga 1973. Peran ikoniknya, yang ditulis oleh pasangannya saat itu (sekarang istri) Jane Wagner, adalah dalam pertunjukan The Search for Signs of Intelligent Life in the Universe, yang dibuka di Broadway pada tahun 1985 dan membuat Tomlin memenangkan Penghargaan Tony untuk Aktris Terbaik dalam sebuah Drama. Dia juga memenangkan Penghargaan Emmy untuk acara khusus Lily (1973) dan menerima Penghargaan Grammy untuk Album Komedi Terbaik untuk This Is a Recording (1972).
Pada tahun 1975, Tomlin membuat debut filmnya dengan film Nashville karya Robert Altman, yang membuatnya mendapatkan nominasi Academy Award untuk Aktris Pendukung Terbaik. Pada tahun 1977, penampilannya sebagai Margo Sperling dalam film The Late Show membuatnya memenangkan Silver Bear untuk Aktris Terbaik dan mendapatkan nominasi Golden Globe dan BAFTA Award untuk Aktris Terbaik. Beberapa film terkenal lainnya yang dibintangi Tomlin termasuk All of Me (1984), Big Business (1988), Flirting with Disaster (1996), Tea with Mussolini (1999), I Heart Huckabees (2004), A Prairie Home Companion (2006), dan Grandma (2015).
Tomlin dikenal karena kolaborasinya dengan Jane Fonda dalam film-film seperti 9 to 5 (1980), 80 for Brady (2023), dan Moving On (2023). Mereka juga bermain bersama dalam seri Grace and Frankie di Netflix, yang berjalan dari tahun 2015 hingga 2022. Tomlin telah menerima empat nominasi Primetime Emmy Award for Outstanding Lead Actress in a Comedy Series. Dari tahun 2002 hingga 2006, dia memerankan Deborah Fiderer dalam seri The West Wing karya Aaron Sorkin. Dia juga menjadi pengisi suara Ms. Frizzle untuk seri animasi anak-anak The Magic School Bus (1994–1997) dan The Magic School Bus Rides Again (2017–2020).
Dalam kehidupan pribadinya, Tomlin lahir di Detroit, Michigan, dari pasangan Lillie Mae dan Guy Tomlin. Dia memiliki seorang adik laki-laki bernama Richard Tomlin. Orang tua Tomlin adalah Southern Baptists yang pindah ke Detroit dari Paducah, Kentucky, selama masa Depresi Besar. Meskipun dia menghadiri gereja Southern Baptist saat kecil, dia kemudian menjadi tidak beragama. Tomlin lulus dari Cass Technical High School pada tahun 1957. Dia kemudian melanjutkan pendidikannya di Wayne State University dan awalnya belajar biologi. Namun, setelah mengikuti audisi untuk sebuah drama, minatnya terbangun dalam karir di teater dan dia mengubah jurusannya. Setelah kuliah, Tomlin mulai melakukan komedi stand-up di klub malam di Detroit dan kemudian di New York City. Dia terus belajar akting di HB Studio.