Nach dem Studium der Staats- und Rechtswissenschaften promovierte er 1921 in Tübingen. Von 1921 bis 1929 war er Hauptgeschäftsführer des Deutschen Studentenwerks, danach bis 1933 Regierungsrat im preußischen Unterrichtsministerium. Aus politischen Gründen wurde Tillmanns 1933 entlassen und erhielt eine Anstellung in der Montanindustrie. Ab1949 wirkte er als Generalsekretär des Hilfswerks der Evangelischen Kirche Deutschlands und gehörte zu den Begründern der CDU in Berlin. Ab 1949 war Tillmanns auch Berliner Vertreter im Bundestag. Er wurde 1952 Vorsitzender der CDU Berlin (West), und im Oktober 1953 ernannte man ihn zum Bundesminister für besondere Aufgaben. Im Februar 1955 wurde er einer der stellvertretenden Vorsitzenden der Bundes-CDU und war zugleich Vorsitzender des evangelischen Arbeitskreises der CDU/CSU.