Ze werd geboren in Moskou, Russische SFSR, Sovjet-Unie op 18 augustus 1921. Ze begon met vliegen op 15-jarige leeftijd en in 1940 studeerde ze af aan de Kherson National Technical University Aviation School. Ook volgde zij een aanvullende cursus navigatie.
Aan het begin van de Tweede Wereldoorlog vroeg ze zich aan voor gevechtsdienst, maar haar verzoek werd afgewezen omdat vrouwen niet mochten vechten. Zij en Marina Raskova bleven echter hun verzoeken naar de regering sturen totdat Jozef Stalin zelf opdracht gaf tot de oprichting van het 586th Fighter Aviation Regiment, een volledig vrouwelijke gevechtseenheid.
Ze werd later gevechtspiloot bij de Sovjet-luchtmacht. Ze werd toegewezen aan het 586th Fighter Aviation Regiment, onder bevel van Marina Raskova. Ze vloog gevechtsmissies tegen de Duitsers in de Slag om Stalingrad en de Slag om Koersk, en kreeg 12 solo-moorden en 4 gedeelde moorden op haar naam.
Ze kwam op 1 augustus 1943 om het leven na het voltooien van haar 180e gevechtsmissie toen haar vliegtuig werd neergeschoten door luchtafweer nabij Krasnyi Luch. Postuum werd haar de titel Held van de Sovjet-Unie toegekend.
In totaal vloog Lily ongeveer 265 gevechtsmissies en behaalde ze 16 solo-overwinningen. Ze werd een symbool van patriottisme en moed voor veel vrouwen in de Sovjet-Unie en haar verhaal blijft mensen vandaag de dag inspireren.