Lillian nació el 24 de mayo de 1878 en Oakland-California, en el seno de una familia de clase media. Muy curiosa y atenta desde muy pequeña, enfocaba sus preguntas variaban de áreas entre la mecánica y las ciencias exactas (¡cómo funcionan las cosas?), y en cómo funcionamos y pensamos los seres humanos, en su aspecto más psicológico y metafísico. 

Al terminar la escuela secundaria estudió en la Universidad de Berkeley literatura inglés, lengua extranjera y filosofía. Al recibirse, completo la licenciatura y la maestría en literatura en la Universidad de Berkeley  

En 1904 se casó con Frank Bunker Gilbreth, un hombre de negocios que estuvo muy dedicado a los trabajos de la industria de la construcción, y en particular, al modo  de ahorrar tiempo y hacer más eficiente las tareas que desarrollaban a diario los empleados. Para eso, desarrolló distintos métodos para aumentar la eficiencia, principalmente con el estudio de tiempos y movimientos. 

Se unió rápidamente al entusiasmo de Frank por lograr la eficiencia en los puestos de trabajo aplicando las ciencias sociales a la gestión industrial, haciendo hincapié en el trabajador más que en los factores no humanos. En el año 1911 hizo la primera publicación importante de su investigación: “Estudio del movimiento”, donde compartió una manera sistemática de identificar, analizar el número de movimientos y la cantidad de tiempo necesario para completar una tarea específica.  

En 1915 obtuvo su doctorado en el área de psicología en la Universidad de Brown. Su experiencia psicológica complementó los conocimientos fisiológicos y mecánicos de Frank Gilbreth en sus escritos posteriores: “Fatigue Study” en 1916 y “Applied Motion Study” en 1917. 
Entre los principales empleos que obtuvo a lo largo de su carrera, vale destacar el de asesora económica oficial de los presidentes Herbert Hoover, Flanklin Delano Roosevelt, Dwight D. Eisenhower, John Fitzgerald Kennedy y Lindon Johnson. 

Después de la muerte de su esposo en 1924, Lillian Moller Gilbreth asumió la presidencia de su empresa de consultoría y se mantuvo activa en la investigación, la docencia y la escritura.  
Lillian también inventó varios objetos a lo largo de su vida, como fue el cubo de basura de pedal y los estantes de la puerta de la nevera. 

El 2 de enero de 1972, a los 94 años de edad, fallecía en Phoenix, Arizona. En la actualidad, existe una exposición permanente en una sala dedicada exclusivamente al matrimonio Gilbreth, en el Museo Smithsonian (parte del Instituto Smithsonian, en Washington D.C) en la sección de Historia Americana (estadounidense, específicamente) y su retrato cuelga en el National Portrait Gallery.