Barbara Tillmann wurde in Neuchatel geboren und wuchs in Zürich und Jolimont auf. Sie studierte bei Louise Pellerin in Zürich und erhielt bei Heinz Holliger an der Musikhochschule Freiburg i. Br. das Konzertreifediplom. Während der Studienzeit erhielt sie mehrmals Stipendien der Kiefer-Hablitzel Stiftung und der Ernst Göhner Stiftung in Zusammenarbeit mit dem Migros-Genossenschaftsbund.

Als Solooboistin spielte sie im Gustav-Mahler-Jugendorchester unter Claudio Abbado, in der Camerata Bern, im Kammerorchester Basel, in der Camerata Schweiz und auf Tournéen mit der Camerata Salzburg unter Sir Roger Norrington und Sir Neville Marriner in verschiedenen Ländern Europas.

Als Solistin trat Barbara Tillmann mit dem Schweizer Jugend-Sinfonie-Orchester, dem Aargauer Sinfonie-Orchester, der Camerata Vitodurum, dem Jungen Schweizer Kammerorchester, dem Swiss International Chamber Orchestra, dem Huttwiler Kammerorchester und den Virtuosi di Praga auf. Bei Claves-records realisierte sie eine Aufnahme mit barocken Oboenkonzerten zusammen mit den Virtuosi di Praga (Baroque Concert).

Eine grosse Kammermusiktätigkeit verbindet sie mit dem Ensemble Pyramide, welches eine eigene Konzertreihe in Zürich hat und 2006 für seine Innovationsfreude durch die Stadt Zürich mit dem Preis „Werkjahr für Interpretation“ ausgezeichnet wurde. An der Zürcher Hochschule der Künste ist Barbara Tillmann Dozentin für Fachdidaktik und führt jedes Jahr Musikkurse für Kinder und Jugendliche in der Villa Jolimont durch.