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 сороковых актриса снова 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.
Последний раз на киноэранах актриса появилась в 1987 году в 93-летнем возрасте в драме «Августовские киты» с Винсентом Прайсом и Бетти Дэвис в главных ролях.
Лиллиан Гиш умерла во сне 27 февраля 1993 года в возрасте 99 лет. Актриса похоронена рядом с сестрой Дороти Гиш (ум. 1968) в епископальной церкви св. Бартоломью в Нью-Йорке.