Родился в семье лютеранского пастора. Учился в университетах Берлина, Тюбингена, Галле и Бреслау, в 1912 стал пастором евангелической лютеранской церкви. Во время Первой мировой войны Тиллих служил в армии капелланом. После войны преподавал в университетах Берлина (1919—1924) и Марбурга (1925), в Высшем техническом училище Дрездена (1925—1929) и Франкфуртском университете (1929—1933). Из-за своих политических взглядов после прихода к власти Гитлера был уволен и переехал в США. Преподавал в Объединённой теологической семинарии (Нью-Йорк) и в Гарварде.
Для Тиллиха характерно тяготение к интимно-индивидуальному сопереживанию основ культуры. Такое переживание неизбежно ведёт к абсолютным ценностным измерениям бытия, в пределе — к опыту постижения святыни и Бога. Духовная драма современного человека заключается, по его мнению, в утрате системы абсолютных ценностей, в потере Бога. Бога нельзя искать как какую-либо «вещь», он не существует как некая «небесная личность». Бог — это в конечном счёте подлинные основы «моего» существования, «моя» истинная сущность. Грех, по Тиллиху, не есть нарушение внешних законов и заповедей; в нём человек теряет себя, а осознаёт потерю в ситуации страха и отчаяния. Образом «нового бытия», преодолевающего демонические механизмы социального и личного отчуждения, выступает у Тиллиха Иисус Христос.