2007-2012: Tidligt arbejde og gennembrudRediger
Collins begyndte at spille skuespil i en alder af to år i BBC-serien Growing Pains. Som teenager skrev Collins en klumme, “NY Confidential”, for det britiske magasin Elle Girl. Hun har også skrevet for Seventeen, Teen Vogue og Los Angeles Times. Hun blev udvalgt af Chanel til at bære en af deres kjoler ved Bal des débutantes 2007 på Hôtel de Crillon i Paris, som blev vist i tredje sæson af reality-tv-serien The Hills. Hun blev udvalgt af det spanske magasin Glamour i 2008 som årets internationale model og optrådte på magasinets forside i august 2009. Collins dækkede det amerikanske præsidentvalg i 2008 som vært på Nickelodeon-serien Kids Pick the President. Hun vandt i 2008 en Young Hollywood Award for Newest Red Carpet Correspondent.
I 2009 medvirkede Collins i to episoder af teenagedramaserien 90210, herunder første sæsons finale. Collins var en af 20 kvinder, der blev udnævnt af Maxim Magazine som en af de hotteste døtre af rockstjerner i 2009. I 2009 medvirkede Collins i filmen The Blind Side som Collins Tuohy, datter af Sandra Bullock’s karakter Leigh Anne Tuohy. I 2011 spillede hun krigerpræstens datter Lucy i thrilleren Priest, overfor Paul Bettany. MTV Networks’ NextMovie.com udnævnte hende til en af de Breakout Stars to Watch for i 2011. Hun spillede med i 2011 i actionfilmen Abduction sammen med Taylor Lautner.
Det følgende år spillede Collins Snehvide i Mirror Mirror, en filmatisering af eventyret Snehvide og de syv dværge, med Julia Roberts som den onde dronning Clementianna. Robbie Collin fra den britiske avis The Daily Telegraph skrev om Collins: “Hun har et bedårende, sensationelt, næsten perfekt ansigt til biografen; tænk Audrey Hepburn med Liam Gallaghers øjenbryn. Hendes smil er det platoniske ideal for frækhed.” Hun fik sin sangdebut i filmen, hvor hun optrådte med et engelsk omskrevet cover af “I Believe (in Love)”. I 2012 spillede Collins også rollen som Samantha i Stuck in Love, hvor hun spillede sammen med Jennifer Connelly, Logan Lerman og Greg Kinnear.
2013-2017: Rediger
Collins blev oprindeligt castet som hovedrollen i genindspilningen af Evil Dead i 2013, men droppede ud på grund af et tidsplanproblem. Derefter spillede hun hovedrollen som Clary Fray i The Mortal Instruments: City of Bones, en filmatisering af den første bog i New York Times’ bestseller The Mortal Instruments-romaner, skrevet af Cassandra Clare. I oktober 2013 medvirkede Collins i musikvideoen til “City of Angels” af Thirty Seconds to Mars. I 2014 spillede Collins hovedrollen som Rosie Dunne i filmatiseringen af Love, Rosie, sammen med Sam Claflin, skrevet af Cecelia Ahern.
Collins havde derefter en hovedrolle som den håbefulde skuespillerinde Marla Mabrey, sammen med Alden Ehrenreich, i den romantiske komedie-dramafilm Rules Don’t Apply (2016), af filmskaberen Warren Beatty, der også spillede hovedrollen som milliardæren Howard Hughes. Da filmen udkom i november, fik den blandede anmeldelser og indtjente kun 3,9 millioner dollars i forhold til sit budget på 25 millioner dollars. På trods af dette modtog Collins for sin rolle som Marla Mabrey sin første Golden Globe-nominering for bedste skuespillerinde i en komedie eller musical ved den 74. Golden Globe-uddeling. I 2016 var Collins en del af et pilotprojekt, der blev produceret til The Last Tycoon, der er løst baseret på F. Scott Fitzgeralds sidste bog The Last Tycoon. Hun spillede Cecelia Brady, datter af Pat Brady, som blev spillet af Kelsey Grammer. Amazon tog piloten op til serie den 27. juli 2016, men aflyste senere deres planer om en anden sæson i september i 2017.
I marts 2016 medvirkede Collins i hovedrollen i anoreksiedramaet To the Bone, skrevet og instrueret af Marti Noxon. Filmen følger Ellen eller Eli, en 20-årig kvinde, der lider af anorexia nervosa. Den havde premiere i konkurrencen på Sundance Film Festival den 22. januar 2017, som en kandidat i den amerikanske dramatiske konkurrence. Den blev udgivet på verdensplan på Netflix den 14. juli 2017. Da filmen først blev udgivet på Netflix, var der en del kontroverser om, hvorvidt filmen ville være udløsende for personer med spiseforstyrrelser. Denne kontrovers blev også påvirket af en anden Netflix-originalserie 13 Reasons Why, efter at den blev beskyldt for at glamourisere selvmord. På trods af filmens tabubelagte emne blev Collins’ skildring af Ellen beskrevet som “eksemplarisk arbejde fra Lily Collins i den centrale rolle”. Justin Chang fra Los Angeles Times skrev, at “I en anden film kunne Ellens skarpe tunge have gjort hende til en utålelig kilde til klog negativitet, men Collins’ præstation er mere subtil end det, og manuskriptet giver hende rig mulighed for at afsløre karakterens mere komplicerede, sårbare kanter.”
Collins blev også castet i Netflix-dramafilmen Okja instrueret af Bong Joon-ho, sammen med Jake Gyllenhaal og Tilda Swinton. Filmen konkurrerede om Palme d’Or i hovedkonkurrencesektionen på filmfestivalen i Cannes i 2017 og modtog fire minutters stående ovation efter premieren. Den blev udgivet på Netflix den 28. juni 2017.
2018-nutid: Nuværende arbejdeRediger
I 2017 blev det afsløret, at Les Misérables ville blive tilpasset af Andrew Davies til en BBC-miniserie, instrueret af Tom Shankland og med Collins i hovedrollen sammen med Dominic West og David Oyelowo. Collins spillede hovedrollen som Fantine, en ung kvinde i Paris, der bliver forladt af sin rige elsker, hvilket tvinger hende til at tage sig af deres barn, Cosette, på egen hånd. De begyndte optagelserne til serien i februar 2018 i Belgien og Nordfrankrig. Kritikere og fans roste Collins’ præstation som Fantine, Alexandra Pollard fra The Independent skrev, at ” spiller den tragiske Fantine med stålsathed og ynde”, i en “storslået” præstation. En anden anmelder udtalte, at “Lily Collins synger ikke sin fortvivlede sjæl ud, da hun bliver forladt af sin elsker. Så meget, at hun imponerede mig fra starten med sin følelsesmæssigt rige præstation…”.
I 2019 spillede Collins sammen med Zac Efron i det mørke drama Extremely Wicked, Shockingly Evil and Vile, instrueret af Joe Berlinger. Hun spiller Elizabeth Kendall, Ted Bundys langtidskæreste, som kæmper med at acceptere, at hendes partner var en seriemorder. Filmen havde verdenspremiere på Sundance Film Festival den 26. januar. Samme år spillede Collins også med i rollen som Edith Tolkien, forfatteren J. R. R. R. Tolkiens kæreste, muse og hustru, i biografien Tolkien, med Nicholas Hoult i titelrollen. Optagelserne begyndte i oktober 2017 og sluttede i december, og Tolkien fik premiere den 10. maj 2019.
I 2020 spillede Collins hovedrollen over for Simon Pegg i thrilleren Inheritance instrueret af Vaughn Stein og i Emily in Paris, en Netflix-tv-serie om en ung amerikaner, der arbejder i Paris med alt det kulturelle sammenstød, der følger med. Hun spillede også Rita Alexander, en engelsk transskriber for forfatteren Herman J. Mankiewicz, i Mank instrueret af David Fincher for Netflix. Collins er tilknyttet hovedrollen i The Cradle instrueret af Hope Dickinson Leach over for Jack O’Connell og i Gilded Rage over for Christoph Waltz og Bill Skarsgård, produceret af Jake Gyllenhaal og instrueret af Charlie McDowell.