Nació en Santiago, el 14 de agosto de 1826. Hijo de Agustín Lillo y Dolores Robles. Tío de los escritores y novelistas, Baldomero y Samuel Lillo.

Estudió humanidades en el Instituto Nacional. Desde muy joven se dedicó a la literatura, y en 1842 cooperó a la fundación de la Sociedad Literaria de Santiago.

En 1844 comenzó a cooperar en "El Siglo", mismo año en el que obtuvo el premio en el certamen abierto por la Sociedad Literaria, con su "Canto al dieciocho de septiembre".

En 1846 abandonó el colegio para servir el cargo de oficial auxiliar del Ministerio del Interior. Desempeñó a la vez la función de corresponsal de los diarios "El Mercurio" y "El Comercio" de Valparaíso.

En 1847, el ministro del Interior y de Relaciones Exteriores, Manuel Camilo Vial, le encomendó escribir la letra del Himno Nacional. Después de 1847, el poeta fue distinguido en varios certámenes y fue nombrado Oficial de la Oficina de Estadísticas, recientemente creada.

En 1850 tomó parte activa en la campaña periodística contra el gobierno, en los diarios "La Barra" y "El amigo del pueblo", que sirvieron de intérpretes a la Sociedad de la Igualdad.

Su vida fue una continua peregrinación, pues, desde 1851, en que tomó parte activa en las agitaciones políticas de esa época, permaneció en Perú, en Bolivia y en Chile, yendo cada cierto tiempo de un lugar a otro, sin establecerse definitivamente en ninguna parte.

En los años 1849 y 1850 tomó parte en la redacción de algunos periódicos políticos, que hacían oposición al gobierno de la época, y en 1864 fue por algún tiempo redactor de "La Patria" de Valparaíso.

Fue fundador del Banco de Bolivia en la ciudad de La Paz, cooperó con el progreso de la minería en Corocoro, y logró afirmar su situación económica.

Fue miembro de la Universidad de Chile.

En 1890 motiva y financia la creación del postre "Dulce patria", hoy patrimonio de la repostería nacional.

En 1875 fue alcalde de Santiago y al año siguiente fue nombrado intendente de Curicó. Sólo estuvo dos meses en el último cargo.

Por sus vinculaciones con algunos hombres de la guerra de 1879, intervino en los principales episodios de ella, fue el consultor de presidentes y ministros, actuó en la campaña en el carácter de secretario de la escuadra, intervino en las conferencias de Arica y fue el mediador de la paz entre Chile y Bolivia.

Fue nombrado Ministro Plenipotenciario en Bolivia en mayo de 1880. Más adelante, en el gobierno de Aníbal Pinto, fue nombrado ministro de Guerra y Marina por Decreto del 16 de junio de 1880, pero no asumió.

Durante el gobierno de José Manuel Balmaceda fue nombrado ministro del Interior, cargo que desempeñó entre el 18 de septiembre y el 30 de noviembre de 1886, fecha en que presentó la renuncia.

En 1888 viajó por Europa y regresó a Santiago en 1889, donde, como se le solicitó, publicó el testamento político de Balmaceda.

Tras morir en Santiago, el 8 de julio de 1910, deja como legado al país gran parte de su pinacoteca privada (115 obras de pintores europeos y chilenos) al recién inaugurado Museo de Bellas Artes. En paralelo, dona su biblioteca particular (una de las más actualizadas de la época, con varios volúmenes prohibidos ) a la Biblioteca Nacional de Santiago.