Родилс 23 марта 1952, Уичито-Фолс, Техас, США.
Рос в Оклахоме и Техасе, основных нефте- и газодобывающих штатах США. В 1975 году окончил Техасский университет в Остине, где изучал инженерное дело (в университетские годы состоял в студенческом братстве ΑΦΩ, куда до 1968 года принимали только бойскаутов. Сразу начал карьеру в Exxon на промыслах, к середине 1980-х возглавлял службу развития бизнеса в газовом департаменте корпорации.
В 2001 году стал старшим вице-президентом ExxonMobil, в 2004 году вошёл в совет директоров корпорации, с 1 января 2006 года — председатель совета директоров и CEO ExxonMobil. 14 декабря 2016 года корпорация объявила об отставке Тиллерсона и вступлении в должность с 1 января 2017 года его преемника — Даррена Вудса.
Согласно документам, предоставленным немецкой газете Süddeutsche Zeitung анонимным источником, в 1998 году Тиллерсон стал директором зарегистрированной на Багамских островах российско-американской компании Exxon Neftegas (по сведениям самой ExxonMobil, он оставил эту должность в 2006 году, когда возглавил корпорацию).
В 1990-е годы, будучи представителем Exxon в России, Тиллерсон сыграл важную роль в достижении соглашения по созданию международного консорциума для разработки нефтегазовых месторождений «Сахалин-1», а в 2007 году, уже возглавив корпорацию, сумел отстоять её интересы в противостоянии с российскими властями и Газпромом. В 2009 году обеспечил 30-миллиардный контракт Exxon с Катаром по производству сжиженного природного газа.
В том же 2011 году Exxon заключила соглашение с корпорацией «Роснефть», в соответствии с которым получила доступ к нефтяным запасам в российском секторе Арктики в обмен на инвестиции российской компании в заморские проекты Exxon.
Этот контракт был заморожен после введения санкций в 2014 году, убытки американской компании оцениваются примерно в 1 млрд долларов, и Тиллерсон добивался отмены принятых решений. По утверждению британской газеты The Guardian, Тиллерсон лично знаком с главой «Роснефти» Игорем Сечиным с 1990-х годов, когда тот работал в городской администрации Санкт-Петербурга (газета называет Сечина самым влиятельным человеком в России после Путина, в 2014 году он попал под персональные санкции).
Тиллерсон добивался отмены существовавшего несколько десятилетий запрета на экспорт сырой нефти из США, а также снятия ограничений на развитие проектов экспорта сжиженного газа. Под руководством Тиллерсона ExxonMobil получила в 2014 году чистую прибыль в объёме 34 млрд долларов и уплатила 80 млрд долларов в качестве налогов. Кроме того, корпорация продолжала сотрудничество с «Роснефтью» после введения санкций в 2014 году. Журнал Forbes по итогам 2015 года поместил Тиллерсона на 25-е место в рейтинге наиболее влиятельных людей мира (по итогам 2014 года он занимал 20-е место).
По сведениям того же журнала, Тиллерсон владеет 2,6 млн акций ExxonMobil, стоимость которых по итогам 2015 года составила около 240 млн долларов, а доход их владельца — 27 млн долларов.
