Efter utbildningen vid konstfack i Stockholm reste Tuulikki Pietilä till Paris för att fortsätta studierna vid Fernand Légers akademi, en plantskola för andra unga begåvningar som Otto G Carlsund och Olle Bærtling. Där stannade hon i fyra år och tiden i Paris präglade henne starkt. Hon återvänder till Finland 1954 och blev känd som en av landets främsta grafiker, men också som Tove Janssons livskamrat. De två blev ett par 1956, samma år som Tuulikki Pietilä började som lärare i grafik vid Konstakademins skola i Helsingfors.
Hon var också förebilden till Tove Janssons figur Too-ticki. I viss utsträckning gjorde Tuulikki avkall på sin egen karriär som konstnär för att hjälpa Tove i hennes karriär som hyllad författare och illustratör när intresset för mumintrollen bara växte. Tuulikki deltog ändå i fler än 100 internationella utställningar av finländsk konst. Under 1960-talet ställde hon varje år ut med Purnugruppen, där alla konstnärerna var födda 1917.

Tuulikki Pietilä erhöll 1963 Pro Finlandia-medaljen. 1982 utsågs hon till professor.