В процессе учебы в Школе-студии Ефремов пережил несколько любовных романов. Так, одно время он был увлечен одной из самых красивых студенток студии Ириной Скобцевой, но, когда она предпочла ему Алексея Аджубея (чуть позже она станет женой Федора Бондарчука), Ефремов женился на другой однокурснице – Лилии Толмачевой.
Толмачева родилась 6 июня 1932 года в городке Руднево Нижне-Волжского края (по другим данным – в Саратове). В 1946 году поступила в Школу-студию МХАТа. А уже спустя три года у нее случился роман с Ефремовым, который спустя год привел их к свадьбе. Ефремов тогда уже работал в ЦДТ, а Толмачева, окончив студию, постоянного места работы не имела. Молодые жили с родителями Ефремова в одной комнате, перегороженной шкафом. Виделись они только ночью, а днем у каждого были свои дела. По словам Л. Толмачевой:
«Не хочется говорить об этом подробно, но наше отношение к семье, к дому было абсолютно разным. Я слишком устала от его пьянства. Кто я была? Несмышленая девчонка, приехавшая из Саратова… Конечно, Олег был по-настоящему болен алкоголизмом, и я не могла видеть, как из тонкого, застенчивого (Олег тогда писал стихи) и интеллигентнейшего человека мой муж превращается в нечто совершенно ужасное. Я не понимала, как в нем уживались два таких разных человека. У нас был слишком короткий брак (всего полгода), чтобы Олег успел мне изменить. Хотя Олегу женщины были, как и алкоголь, нужны, чтобы поддерживать себя в творческом накале…
Кажется, была очередная ссора, и я решила уехать, к тому же мама в Саратове тяжело заболела. Я спросила Олега: «Ты меня любишь?» – «Ну! – ответил Олег и добавил: Я хочу быть с тобой». – «Ты меня любишь, как Ромео Джульетту?» – не унималась я. «Ну и дура ты, – сказал Олег, – и погибнешь оттого, что дура». Кстати, эту фразу он говорил чуть ли не при каждой нашей встрече до конца своей жизни…»
Формально этот брак продлился всего лишь два года – до 1952-го, хотя жили молодые друг с другом всего лишь полгода. А развестись тогда было не просто. Нужно было или обвинить супруга в чем-то серьезном, или долго жить порознь. В итоге Толмачева решила уехать из Москвы в Саратов, к маме, где поступила в тамошний ТЮЗ. В 1955 году она вернулась в Москву и выиграла конкурс на роль в престижном Театре имени Моссовета. Тогда же она развелась и с Ефремовым. По словам Л. Толмачевой: «Когда я решила уйти от него, он сказал: «Учти, я всем буду говорить, что это я тебя бросил». Спустя много лет Олег мне признался: «Зря ты ушла, это самая большая твоя ошибка, должна была терпеть, мы с тобой тогда до сих пор были бы вместе…» Но я ни о чем не жалею: после Олега я встретила человека, с которым тридцать пять лет была по-настоящему счастлива…» (Вторым супругом актрисы стал главный редактор отдела поэзии издательства «Советский писатель» Виктор Фогельсон.)
Самое интересное, но, когда Ефремов в 1956 году возглавит театр «Современник», он пригласит в него и свою бывшую первую жену. Толмачева сыграет в этом театре множество ролей, в их числе скопидомку Леночку и преуспевающую Агнию Шабину в спектаклях по пьесам Розова «В поисках радости» и «Традиционный сбор», Тамару в «Пяти вечерах» и Надю в «Старшей сестре» А. Володина, Женщину, которую любил Он (эту роль, кстати, исполнял Ефремов) в «Четвертом» К. Симонова. Среди лучших ролей актрисы – Елизавета Александровна в «Обыкновенной истории» И. Гончарова и Милда в «Крутом маршруте» Е. Гинзбург.
В кино самой известной ролью Толмачевой станет женщина-прорва Леночка в фильме «Шумный день».
В 1968 году ей присвоили звание заслуженной артистки РСФСР, в 1981-м – народной.
С конца 1970-х Толмачева вплотную занялась режиссурой, как и ряд других ведущих артистов театра. В 1977 году, по поручению Галины Волчек, она поставила спектакль «Фантазии Фарятьева» Аллы Соколовой со Станиславом Садальским в главной роли, в 1978-м – «Генриха IV» Луиджи Пиранделло, а в 1980 году, по приглашению Олега Ефремова, – «Все кончено» Эдварда Олби во МХАТе с Марией Бабановой (спектакль был записан для телевидения).
Умерла Лилия Толмачева в Москве ночью 25 августа 2013 года после продолжительной болезни. Похоронили актрису на Ваганьковском кладбище.