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Carrière universitaire
En , Killian Tillie visite différentes universités des États-Unis, Georgia Tech, Utah et Gonzaga. Il opte donc pour cette dernière en [1]. Il joue avec les Bulldogs de Gonzaga à partir de la saison 2016-2017[2].
Tillie est blessé au début de la saison universitaire 2018-2019, revient en janvier mais se blesse au pied droit en février[3]. En , Tillie annonce sa candidature à la draft 2019 de la NBA[4]. De nouveau blessé (à la cheville gauche) lors d'un workout et n'apparaissant pas dans les prédictions des spécialistes pour la draft, Tillie retire son nom de celle-ci fin mai[5].
Il est blessé au genou au début de la saison universitaire 2019-2020 et en , Tillie se blesse de nouveau avec une entorse à la cheville gauche[6].
Il se présente à la draft 2020 où il est attendu au deuxième tour.
Carrière professionnelle
Grizzlies de Memphis (2020-2022)
Killian Tillie n'est pas choisi lors de la draft mais il signe un contrat two-way avec les Grizzlies de Memphis et rejoint son ancien coéquipier à l'université Brandon Clarke. Les franchises NBA n'auraient pas choisi Tillie en raison des nombreuses blessures dont il a souffert pendant sa jeune carrière[7].
Sa première saison en NBA est marquée par plusieurs blessures[8], mais sous l'impulsion de son leader Ja Morant, les Grizzlies se qualifient pour les playoffs où ils sont battus par le Jazz de l'Utah.
Tillie parvient à obtenir à nouveau lors de la saison 2021-2022 un contrat two-way, et gagne davantage de temps de jeu notamment au mois de décembre 2021, sous la direction de l'entraineur Taylor Jenkins[9]. Installé dans la rotation des Grizzlies, le Français signe un contrat garanti de deux ans et quatre millions de dollars début janvier 2022[10].
Le 15 octobre 2022, il est coupé par les Grizzlies[11].
Unicaja Málaga (depuis 2024)
Le 21 août 2024, Killian Tillie s'engage pour une saison avec le club de l'Unicaja Málaga en Liga Endesa. Après plus de deux ans sans jouer, l'ailier fort réalise une bonne Summer League avec les Celtics de Boston, ce qui lui permet de trouver un club[12].
Sélection nationale
En 2014, il est champion d'Europe des moins de 16 ans avec l'équipe de France face à la Lettonie. Il est élu MVP du tournoi[13].