2007-2012:
Collinsová začala hrát ve dvou letech v seriálu BBC Growing Pains. Jako teenager psala Collinsová sloupek „NY Confidential“ pro britský časopis Elle Girl. Psala také pro časopisy Seventeen, Teen Vogue a Los Angeles Times. Byla vybrána společností Chanel, aby oblékla jednu z jejich šatů na Bal des débutantes 2007 v pařížském Hôtel de Crillon, který byl uveden ve třetí sérii televizní reality show The Hills. V roce 2008 ji španělský časopis Glamour vybral jako mezinárodní modelku roku a v srpnu 2009 se objevila na jeho obálce. V roce 2008 se Collinsová věnovala americkým prezidentským volbám jako moderátorka seriálu Děti vybírají prezidenta společnosti Nickelodeon. V roce 2008 získala cenu Young Hollywood Award pro nejnovějšího korespondenta na červeném koberci.
V roce 2009 se Collinsová objevila ve dvou epizodách teenagerského seriálu 90210, včetně finále první série. Collinsová byla jednou z 20 žen, které časopis Maxim v roce 2009 označil za jedny z nejžhavějších dcer rockových hvězd. V roce 2009 si Collinsová zahrála ve filmu The Blind Side v roli Collins Tuohyové, dcery postavy Sandry Bullockové Leigh Anne Tuohyové. V roce 2011 si zahrála dceru bojovného kněze Lucy v thrilleru Kněz po boku Paula Bettanyho. Portál NextMovie.com společnosti MTV Networks ji v roce 2011 označil za jednu z průlomových hvězd, které je třeba sledovat. V roce 2011 si zahrála v akčním filmu Únos s Taylorem Lautnerem.
Následující rok si Collinsová zahrála Sněhurku ve filmu Mirror Mirror, adaptaci pohádky Sněhurka a sedm trpaslíků, kde si zahrála s Julií Robertsovou zlou královnu Klementianu. Robbie Collin z britského listu The Daily Telegraph o Collinsové napsal: „Má rozkošnou, senzační, pro film téměř dokonalou tvář; představte si Audrey Hepburnovou s obočím Liama Gallaghera. Její úsměv je platonickým ideálem drzosti.“ Ve filmu debutovala jako zpěvačka, když předvedla anglicky přepsanou coververzi písně „I Believe (in Love)“. V roce 2012 Collinsová rovněž ztvárnila Samanthu ve filmu Stuck in Love, kde si zahrála po boku Jennifer Connellyové, Logana Lermana a Grega Kinneara.
2013-2017: Collinsová na WonderConu 2013
Collinsová byla původně obsazena do hlavní role v remaku filmu Evil Dead z roku 2013, ale kvůli problémům s plánováním od toho upustila. Poté si zahrála roli Clary Frayové ve filmu The Mortal Instruments: V roce 2013 natočila filmovou adaptaci první knihy z bestselleru The New York Times The Mortal Instruments, kterou napsala Cassandra Clare. V říjnu 2013 se Collinsová objevila ve videoklipu k písni „City of Angels“ skupiny Thirty Seconds to Mars. V roce 2014 si Collinsová zahrála roli Rosie Dunneové ve filmové adaptaci knihy Love, Rosie po boku Sama Claflina, kterou napsala Cecelia Ahernová.
Collinsová pak měla hlavní roli ctižádostivé herečky Marly Mabreyové po boku Aldena Ehrenreicha v romantickém komediálním dramatu Pravidla neplatí (2016) od režiséra Warrena Beattyho, který si zahrál i miliardáře Howarda Hughese. Když byl film v listopadu uveden do kin, dočkal se smíšených recenzí a při rozpočtu 25 milionů dolarů vydělal pouze 3,9 milionu dolarů. Přesto Collinsová za roli Marly Mabreyové získala na 74. ročníku udílení Zlatých glóbů svou první nominaci na Zlatý glóbus v kategorii Nejlepší herečka v komedii nebo muzikálu. V roce 2016 se Collinsová podílela na natáčení pilotního dílu seriálu The Last Tycoon, který volně vychází z poslední knihy F. Scotta Fitzgeralda The Last Tycoon. Hrála Cecelii Bradyovou, dceru Pata Bradyho, kterého ztvárnil Kelsey Grammer. Společnost Amazon převzala pilotní díl do seriálu 27. července 2016, ale později v září 2017 zrušila své plány na druhou sezónu.
V březnu 2016 se Collinsová připojila v hlavní roli k dramatu o anorexii To the Bone, který napsala a režírovala Marti Noxonová. Film sleduje Ellen neboli Eli, dvacetiletou ženu trpící mentální anorexií. Film měl premiéru v soutěži na filmovém festivalu Sundance 22. ledna 2017 jako uchazeč v americké dramatické soutěži. Celosvětově byl na Netflixu uveden 14. července 2017. Při prvním uvedení filmu na Netflixu se objevily kontroverze, zda film nebude spouštěčem pro osoby s poruchami příjmu potravy. Tuto kontroverzi ovlivnil i další originální seriál Netflixu 13 Reasons Why poté, co byl obviněn z oslavování sebevraždy. Navzdory tabuizovanému tématu filmu bylo ztvárnění Ellen Collinsovou popsáno jako „příkladná práce Lily Collinsové v hlavní roli“. Justin Chang z Los Angeles Times napsal, že „v jiném filmu by Ellenin ostrý jazyk z ní mohl udělat nesnesitelnou studnici moudrého negativismu, ale výkon Collinsové je jemnější a scénář jí dává dostatek příležitostí odhalit komplikovanější a zranitelnější hrany postavy.“
Collinsová byla také obsazena do dramatického filmu Okja společnosti Netflix režiséra Bong Joon-ho, po boku Jakea Gyllenhaala a Tildy Swintonové. Film soutěžil o Zlatou palmu v hlavní soutěžní sekci na filmovém festivalu v Cannes 2017 a po premiéře sklidil čtyřminutový potlesk ve stoje. Na Netflixu byl uveden 28. června 2017.
2018-současnost: Collins v roce 2019
V roce 2017 vyšlo najevo, že Bídníci budou adaptováni Andrewem Daviesem do podoby minisérie BBC v režii Toma Shanklanda, v níž si Collins zahraje po boku Dominica Westa a Davida Oyelowa. Collinsová si zahrála Fantine, mladou ženu v Paříži, kterou opustí její bohatý milenec a donutí ji, aby se sama starala o jejich dítě Cosettu. Seriál se začal natáčet v únoru 2018 v Belgii a severní Francii. Kritici a fanoušci chválili výkon Collinsové v roli Fantine, Alexandra Pollardová z deníku The Independent napsala, že “ hraje tragickou Fantine s ocelovostí a grácií“, ve „skvělém“ výkonu. Jiný kritik uvedl, že „Lily Collinsová nevyzpívá svou utrápenou duši, když ji opustí její milenec. Natolik na mě od začátku zapůsobila svým emocionálně bohatým výkonem…“.
V roce 2019 si Collinsová zahrála společně se Zacem Efronem v temném dramatu Extrémně zlý, šokující a podlý režiséra Joea Berlingera. Hraje Elizabeth Kendallovou, dlouholetou přítelkyni Teda Bundyho, která se těžko smiřuje s tím, že její partner byl sériový vrah. Film měl světovou premiéru 26. ledna na filmovém festivalu Sundance. V témže roce si Collinsová zahrála také Edith Tolkienovou, přítelkyni, múzu a manželku spisovatele J. R. R. Tolkiena, v životopisném filmu Tolkien s Nicholasem Houltem v hlavní roli. Natáčení začalo v říjnu 2017 a skončilo v prosinci, do kin Tolkien vstoupil 10. května 2019.
V roce 2020 si Collinsová zahrála po boku Simona Pegga v thrilleru Inheritance režiséra Vaughna Steina a v Emily in Paris, seriálu televize Netflix o mladé Američance pracující v Paříži se všemi kulturními střety, které z toho vyplývají. Zahrála si také Ritu Alexanderovou, anglickou přepisovatelku spisovatele Hermana J. Mankiewicze, ve filmu Mank režiséra Davida Finchera pro Netflix. Collinsová se chystá hrát ve filmu The Cradle režisérky Hope Dickinson Leachové po boku Jacka O’Connella a ve filmu Gilded Rage po boku Christopha Waltze a Billa Skarsgårda, který produkuje Jake Gyllenhaal a režíruje Charlie McDowell.