Талула Райли родилась 26 сентября 1985 года в Хартфордшире, графстве на юго-востоке Англии. Мать — Уна Райли, руководитель компании по системе обеспечения безопасности; отец — Даг Милборн, глава отдела расследований преступлений.
Талула окончила колледж для девочек Челтнем, школу Беркхамстед, частный пансион «Хэйбердаширс Эск», а также училась в Открытом университете.
В киноиндустрию Талулу привёл её отец. Дебют состоялся в 2003 году в виде небольшой роли в сериале «Пуаро».
В 2010 году вышла замуж за предпринимателя Элона Маска. В 2012 году они расстались.
За роль в фильме «Начало» получила три номинации на премии «Washington DC Area Film Critics Association Awards», «Phoenix Film Critics Society Awards» и «Central Ohio Film Critics Association» в категории «Лучший актёрский ансамбль».