James comenzó su carrera profesional como actriz como Ethel Brown en la producción de la BBC de 2010 Just William. Comenzó a aparecer en películas de Hollywood en 2012, con papeles en Wrath of the Titans y Fast Girls, y fue vista en otros papeles de televisión, incluyendo el de la condesa Natasha Paul Rostova en la serie de drama histórico de la BBC 2016 War & Peace.
Lily James apareció en la obra War & Peace que se emitió en la BBC.