Férue de théâtre, Jennifer Tilly intègre le Stephen's College du Missouri pour se consacrer à sa passion. Après ses études, elle emménage à Los Angeles et s'illustre dans de nombreuses pièces de théâtre. Récompensée pour ses talents de comédienne, elle se voit décernée un Theater World Award et un Dramalogue Award.
En parallèle de ses activités théâtrales, elle apparaît dans les séries télévisées Capitaine Furillo, Les Enquêtes de Remington Steele et Clair de lune.
Vivement distinguée pour son talent comique dans Susie et les Baker Boys de Steven Kloves, elle est nominée pour l'Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle grâce à sa performance dans Coups de feu sur Broadway de Woody Allen. Peu après, elle est l'affiche du néo-film noir Bound des Frères Wachowski, où l'actrice joue une femme fatale aux côtés de Gina Gershon. De retour à la comédie, elle campe la cliente vénale et capricieuse de Jim Carrey dans Menteur, menteur de Tom Shadyac.
Dans tous les bons coups, Jennifer Tilly est La Fiancée de Chucky pour Ronny Yu. Sa fraîcheur et son dynamisme apportent un nouveau souffle à la saga de la mythique poupée de sang. Dans Le Fils de Chucky, le second épisode, elle ne rate pas l'occasion d'interpréter son propre rôle et jouer de son image de fille frivole en maniant l'auto-dérision.
À sa filmographie s'ajoute
Les Doors d'Oliver Stone, Dancing at the Blue Iguana de Michael Radford et
Guet-apens de Roger Donaldson.
Jennifer Tilly prête aussi sa voix très particulère de petite fille à de nombreux succès animés dont La Fiancée de Chucky et Le Fils de Chucky, Stuart Little, Monstres et Cie, Le Manoir hanté et les 999 fantômes et
La Ferme se rebelle.
Devenue joueuse professionnelle de poker depuis qu'elle partage la vie du joueur professionnel Phil Laak, elle remporte avec succès les tournois des WSOP et du WPT. Jennifer Tilly est la première joueuse de poker à remporter 158 000 dollars et le bracelet des World Series of Poker.
De retour au cinéma, elle rejoint le monde insolite et féerique de Terry Gilliam dans Tideland.