Lilljeborgin vanhemmat olivat rehtori ja kirkkoherra Jöns Peter Lilljeborg ja Hedda Hultberg. Lilljeborg kirjoittautui opiskelemaan Lundin yliopistoon 1834, jossa hänestä tuli filosofian kandidaatti 1840 ja filosofian tohtori 1841. Vuonna 1844 hänet nimitettiin eläintieteen dosentiksi ja 1853 lehtoriksi. Saman vuoden lopulla Lilljeborg hänelle tarjottiin eläintieteen professuuria Uppsalan yliopistosta, ja hän astui virkaan seuraavana vuonna, ja hoiti professuuria vuoteen 1882 saakka. 1877 hänet nimitettiin lääketieteen kunniatohtoriksi.
Lilljeborgi piti esikuvanaan Sven Nilssonia. Hän tutki erityisesti nisäkkäitä ja lintuja, mutta myös muuta Ruotsin eläinfaunaa, ja julkaisi suuren määrän eläintieteellisiä kirjoja ja artikkeleita.
Lilljeborg avioitui Sara Maria Ingeborg Holmin kanssa 1854. Hänen toinen vaimonsa oli Eva Charlotta Lindstedt (1862).
