Tochter eines Metzgers aus der Schäfergasse.
Mit zehn Jahren wurde F. zum Mitglied bei Eintracht Fft., wo sie zunächst im Verein turnte und zweimal (1926/27) das Feldbergfest gewann. Anlässlich der Einweihung des Ffter Waldstadions 1925 nahm sie erfolgreich an einem Schülerdreikampf im Laufen, Weitspringen und Werfen teil. 1928 Eintritt in die neu gegründete Leichtathletikabteilung der Eintracht unter dem Trainer Otto Boer (1887-1934). Im selben Jahr gelang F. der nationale Durchbruch, als sie bei den deutschen Meisterschaften den zweiten Platz im Speerwurf erreichte. Die vielseitige Sportlerin, die auch einmal Ffter Meisterin im Tennis war, reihte künftig Erfolg an Erfolg. Ihre einzigen beiden Weltrekorde schaffte F. mit 12,40 Meter bzw. 12,88 Meter 1929/30 im Kugelstoßen, das damals für Frauen noch nicht olympische Disziplin war. Bei den „Weltspielen der Frauen“ wurde sie 1930 in Prag Zweite im Diskuswerfen und 1934 in London Zweite im Kugelstoßen. Zweimal war sie Europameisterin im Speerwerfen und Kugelstoßen. Den deutschen Meistertitel holte sie zweimal mit der 4 x 100-Meter-Staffel der Eintracht (1931/33) und zweimal im Speerwurf (1932/36). Bei den Olympischen Spielen in Los Angeles 1932 trat sie in drei der sechs Wettkämpfe an, die in der Leichtathletik für Frauen ausgeschrieben waren, und holte mit einem Wurf über 43,01 Meter die Bronzemedaille im Speerwerfen. Ihr größter Erfolg aber war der Olympiasieg im Speerwurf in Berlin am 2.8.1936. Mit einer Weite von 45,18 Metern (und damit neuem olympischem Rekord) lag Tilly F. deutlich vor der zweitplatzierten Dresdnerin Luise Krüger (43,29 Meter) und der auf dem dritten Rang folgenden Polin Maria Kwasniewska (41,80 Meter). Nach der Siegerehrung wurden diese drei allerersten Medaillengewinnerinnen der Berliner Spiele von Hitler und Göring in der „Führerloge“ empfangen, und zum olympischen Schlussbankett lud Hitler die Ffter Goldmedaillengewinnerin als seine Tischdame ein. Aufgrund dieser – im Rückblick als zweifelhaft einzuschätzenden – Ehrungen sollte F. später immer wieder gegen Gerüchte und Verleumdungen über ihre „Beziehung“ zu Hitler zu kämpfen haben. Mit dem Olympiasieg beendete die 24-Jährige ihre Karriere in der Leichtathletik. Aber auch nach ihrer Heirat mit einem Zahnarzt und der Geburt von zwei Töchtern (1937/40) war die junge Frau weiterhin sportlich aktiv. Im Handball wurde sie mit der Mannschaft von Eintracht Fft. 1943 deutsche Meisterin. Nach der Scheidung von ihrem ersten Mann 1948 zog sie in den Schwarzwald, wo sie, in zweiter Ehe mit dem Konzerndirektor Karl Grote verheiratet, Lederwarengeschäfte in Lahr, Bad Cannstatt und Kehl eröffnete und leitete. Mit ungebrochener Sportbegeisterung blieb Tilly Grote-F. stets „der Eintracht“ in Ffm. verbunden, und bis zuletzt glänzte sie als „Königinmutter“ unter den Olympiasiegern im „Club der alten Meister“.
Die Stadt Ffm. ehrte „ihre“ Olympiasiegerin Tilly F. bei deren Heimkehr 1936 mit dem Geschenk eines Autos, eines Opels „Olympia“ im Wert von 2.940 Mark.
Zum Dank pflanzte die Sportlerin das Eichbäumchen, das sie zusammen mit Goldmedaille und Lorbeerkranz bei der Siegerehrung in Berlin erhalten hatte, am Eingang des Waldstadions ein. Als dieser Baum 1998 aus Sicherheitsgründen gefällt werden musste, setzte F., mittlerweile immerhin 87 Jahre alt, eigenhändig eine neue „Olympia-Eiche“ (auch: „Tilly-F.-Eiche“).
F.s olympische Goldmedaille von 1936 ist heute im Eintracht Fft. Museum ausgestellt.