Redan som 15-åring medverkade hon som sångerska i sin pappa Karl Nilheims orkester, men det var i Kar de Mumma-revyn på Folkan i Stockholm som hennes karriär tog fart.
1970 debuterade hon på Dramaten och samma år blev hon anställd på Stockholms stadsteater där hon under åren gjorde över 60 roller, bland annat som Natasja i Ragnar Lyths uppsättning av Gorkijs "Natthärbärget" och som Gertrud i Philip Zandéns "Hamlet". När Anette Norberg 2007 satte upp Shakespeares "Rickard III" med enbart kvinnor i rollerna spelade Lis Nilheim kungens mamma.
För filmen "Maria", där hon spelade den ensamstående frisören Maria som förälskar sig i en frigiven fånge, fick hon en Guldbagge för bästa kvinnliga huvudroll 1975. Filmen, gjord av Mats Arehn efter två ungdomsromaner av Kerstin Thorvall, hade premiär på filmfestivalen i Cannes.
Bland hennes många filmroller märks också hembiträdet Alva i filmatiseringen och senare tv-serien "Du är inte klok, Madicken" från 1979. Men hon medverkade även i Gunnar Hellströms "Raskenstam" (1983), i tv-serier som "Rederiet" och "Tre kronor" samt 2007 i Johan Klings hyllade debutfilm "Darling".
Lis Nilheim somnade in stilla, omgiven av sin familj, efter en lång tids sjukdom. Hon blev 80 år.