Durant ses études de médecine, Thomas Lilti réalise son premier court-métrage au Grec : QUELQUES HEURES EN HIVER, et deux autres courts métrages APRÈS L’ENFANCE et ROUE LIBRE. Son parcours est atypique puisqu’il pratique toujours son métier de médecin généraliste, en parallèle à sa carrière de scénariste et réalisateur. Ces dernières années, il a collaboré à de nombreux projets de fiction pour la télévision et le cinéma, parmi lesquels son premier long-métrage, Les yeux bandés avec Guillaume Depardieu, sorti en salles en 2008. Il a également co-écrit le film TÉLÉ GAUCHO, avec Michel Leclerc, et MARIAGE À MENDOZA avec Édouard Deluc. 

Son dernier long métrage, Hippocrate, a clôturé la Semaine de la critiques à Cannes en 2014. Sortie en salles le 3 septembre 2014.