Лиллиан Гиш родилась в Огайо в 1893 году в епископальной семье выходцев из Германии. Её отец, Джеймс Ли Гиш, часто отсутствовал, и её мать Мэри была вынуждена много работать.
В пятилетнем возрасте она дебютировала на сцене. Когда же она и её младшая сестра Дороти стали достаточно взрослыми, они присоединились к труппе передвижного театра.Свой путь в кинематограф сёстры начинали со съемок в рекламе и мелодрамах.
В 1912 году Лиллиан Гиш познакомилась с Мэри Пикфорд. Именно Пикфорд порекомендовала сестёр Гиш Дэвиду У. Гриффиту и способствовала подписанию их контрактов с «Biograph» . Впервые Лиллиан Гиш снялась у Гриффита в фильме «Невидимый враг» . Позже она снималась во многих фильмах Гриффита: «Рождение нации» , «Сиротки бури» (1921), «Нетерпимость» , «Сломанные побеги» (1919), «Путь на Восток» (1920).
В 1920 году актриса сняла фильм «Моделируя собственного мужа» . После «Biograph» Лиллиан Гиш подписала контракт со студией «MGM» , где её первой картиной стала «Богема» (1926).
В 1928 году Гиш ушла из «MGM» и вернулась в театр.
В 1943—1945 году в составе театральной труппы совершила турне по Америке, играя в спектаклях «Трёхгрошовая опера» , «Песня лютни» , «Преступление и наказание» по роману Фёдора Достоевского, где также были задействованы Долли Хаас и Джон Гилгуд.Лиллиан Гиш оставалась с Гриффитом до конца его жизни, заботясь о нём и его жене, пока Гриффит не умер в 1948 году.
В 1960-х годах актриса появилась в некоторых звуковых фильмах («Комедианты» (1967), «Свадьба» (1978) и получила номинацию на «Оскар» за работу в фильме «Дуэль под солнцем» (1946).
В 1970 году она получила специальный приз Американской киноакадемии за вклад в развитие кинематографа и актёрское мастерство и премии Американского киноинститута за совокупный творческий вклад (1984).
В 1973 году Франсуа Трюффо предпослал своему фильму о мире кино «Американская ночь» посвящение сёстрам Гиш.
В 1984 году 90-летняя Гиш участвовала в балете «Видение Розы» (хореография Михаила Фокина), который «Метрополитен-Опера» ставила к 100-летнему юбилею театра. Последний раз на киноэкранах актриса появилась в 1987 году в 93-летнем возрасте в драме «Августовские киты» с Винсентом Прайсом и Бетти Дэвис в главных ролях.Кроме актёрской карьеры Лиллиан Гиш была сценаристом трех работ: «Самое важное в жизни» (1918), «Переделывая её мужа» (1920), «Серебряное сияние» (1951).Лиллиан Гиш скончалась во сне 27 февраля 1993 года в возрасте девяноста девяти лет. Актриса похоронена рядом с сестрой Дороти Гиш (ум. 1968) в епископальной церкви св. Бартоломью в Нью-Йорке.