Né le 30 mai 1976 à La Celle-Saint-Cloud, Thomas Lilti entame des études de médecine tout en réalisant en parallèle trois courts métrages, Quelques heures en hiver, Après l'enfance et Roue libre. Devenu médecin généraliste, il continue d'exercer parallèlement à ses débuts de cinéaste et signe en 2006 son premier long métrage, Les Yeux bandés, sombre drame porté par Guillaume Depardieu et Jonathan Zaccaï, sorti en salles en 2008. Après avoir participé à l'écriture de Télé Gaucho et Mariage à Mendoza, il connaît un tournant décisif en 2014 avec Hippocrate, plongée dans le monde hospitalier qui puise directement dans son expérience de médecin et révèle Vincent Lacoste et Reda Kateb, avant d'être adapté en série pour Canal+ à partir de 2018. Il poursuit dans cette veine avec Médecin de campagne en 2016, aux côtés de François Cluzet, puis Première année en 2018, consacré aux études de médecine. En 2023, il change de décor avec Un métier sérieux, comédie dramatique sur le monde de l'enseignement portée par Vincent Lacoste, François Cluzet et Adèle Exarchopoulos, présentée hors compétition à San Sebastián. En 2025, il tourne Secondes chances, son sixième long métrage, avec François Civil, Léa Drucker et Karim Leklou, tandis que le film Dantzig sort la même année.
Sa double formation de médecin et de cinéaste façonne une œuvre profondément ancrée dans le réel, nourrie d'une observation précise des institutions qu'il a lui-même traversées, l'hôpital pour Hippocrate ou la faculté de médecine pour Première année. Thomas Lilti revendique une approche presque documentaire de la fiction, cherchant à restituer avec justesse le fonctionnement de mondes professionnels qu'il connaît intimement. Son intérêt pour les récits collectifs, centrés sur des équipes plutôt que sur des héros solitaires, transparaît aussi bien dans Hippocrate que dans Un métier sérieux, situé cette fois dans le monde enseignant.
Le cinéma de Thomas Lilti se distingue par un réalisme social sobre, porté par des dialogues précis et une direction d'acteurs qui privilégie la sincérité à l'effet dramatique. Il filme les institutions, hôpital, faculté de médecine, collège, comme des microcosmes révélateurs de la société tout entière, avec une attention constante portée aux rapports hiérarchiques et à la solidarité entre pairs. Son écriture chorale, qui donne à chaque personnage secondaire une existence propre, constitue l'une des marques les plus reconnaissables de son cinéma. Avec Un métier sérieux, il conserve cette approche tout en l'ouvrant à une veine plus légère, sans renoncer à la justesse sociale qui caractérise son travail.
Hippocrate est sélectionné à la Semaine de la critique du Festival de Cannes en 2014 et obtient sept nominations aux César 2015, notamment dans les catégories meilleur film, meilleur réalisateur et meilleur scénario original. Médecin de campagne vaut à François Cluzet une nomination au César du meilleur acteur en 2017, tandis que Première année est nommé au prix Lumière du meilleur scénario en 2019.
Vincent Lacoste s'impose comme l'un de ses acteurs fétiches, présent dans Hippocrate, Première année et Un métier sérieux. Il retrouve également François Cluzet à plusieurs reprises, notamment dans Médecin de campagne et Un métier sérieux, ainsi que Louise Bourgoin et Karim Leklou, fidèles de son univers télévisuel avec la série Hippocrate.
Le monde du travail et ses institutions, hôpital, faculté de médecine, collège, constitue le décor central de la quasi-totalité de son œuvre. La transmission du savoir et de l'expérience, entre générations de professionnels, occupe une place essentielle dans ses récits. L'épuisement des services publics et la solidarité entre collègues confrontés à des conditions difficiles reviennent constamment, qu'il s'agisse de la médecine ou de l'enseignement.