Лилия появилась на свет в 1917 году. Мать девочки трудилась поваром в ресторане. Кроме Лилии в семье также подрастал старший брат Николай.
Лилия росла творчески одарённым ребёнком, хорошо пела и рисовала. Несмотря на талант, девочка даже не задумывалась, чтобы в будущем стать актрисой. После школы Лилия собиралась стать архитектором, но её судьбу решил случай.
В 1935 году активная и харизматичная девушка приняла участие в конкурсе самодеятельности в Донецке и Днепропетровске, в которых победила. После этого конкурса Лилию направили на учёбу в студию при Большом театре, где она училась на курсе Елены Катульской. Лилия имела лирическое сопрано.
В 1945 году Лилия начала сниматься в кино. Фильмография артистки состоит из 56 киноработ. В 1957 году Лилия Олимпиевна была удостоена звания Народной артистки РСФСР. В дальнейшем, в течение трёх лет, актриса работала во Всероссийском концертном объединении. Последним фильмом, в котором снялась талантливая артистка, был кинопроект «Работа над ошибками», где она исполнила образ Марьи Сергеевны.
Первым и единственным мужем Лилии был известный режиссёр Борис Равенских, с которым актриса познакомилась в театре, играя в его спектаклях. Артистка быстро стала музой режиссёра, а вскоре и его женой. Лилия Олимпиевна играла главные роли в постановках и фильмах супруга, поэтому была вынуждена терпеть неуважение мужа, который даже поднимал на неё руку. Борис регулярно изменял жене. Детей в семье не было, Лилия не могла их иметь.
В итоге актриса влюбилась в своего коллегу по театральной сцене – Александра Шворина. Ради него она ушла из театра и развелась с мужем. Александр был моложе артистки на 14 лет. Некоторое время они жили в фактическом браке, но после предательства – измены Александра, их отношения разладились, и они расстались.
Позже у Лилии был короткий роман с пианистом Максимом Кузнецом.
В 1988 году Лилию Олимпиевну отправили на пенсию. Артистка умерла в январе 1989 года в Москве.
