Актриса, родилась 24 декабря 1917 года в Горловке.

В детстве она вместе с братом Николаем, который тоже стал известным актером, обучалась игре на скрипке.

По личному признанию актрисы, она никогда не мечтала играть на сцене. Окончив школу, Гриценко решила поступать в Киевский архитектурный институт, но судьба распорядилась иначе. Лилию Гриценко пригласили принять участие в Первой Всеюжной олимпиаде музыки, пения и танца металлургов, где она заняла первое место. Комиссия направила её в Москву, в студию Большого театра. Но Гриценко решила поступать в Оперно-драматическую студию им. Станиславского, которую окончила по классу А.В.Неждановой в 1941 г.

В 40-е годы о ней писали: "Лилия Гриценко обладает драгоценным даром – сочетанием яркого таланта драматической актрисы, обаятельной манеры пения, высокой музыкальности и тонкого чувства стиля". Как оперная певица (лирическое сопрано) на сцене Студии исполняла партии Чио-Чио-сан, Иоланты, Параси ("Сорочинская ярмарка"). В 1941 г. с успехом сыграла роль Нины в студийном драматическом спектакле "Маскарад" М.Ю.Лермонтова.

Потеряв голос, в 1948 г. Лилия Гриценко пришла в Московский драматический театр имени К.С.Станиславского, в котором проработала до 1957 г. Музыкальность и поэтическая проникновенностьАлексей Кожевников, Лилия Гриценко и Юрий Белов в фильме "Неподдающиеся" дарования Гриценко принесли успех и признание в ролях Инессы ("День чудесных обманов" Р.Б.Шеридана), Лауры ("С любовью не шутят" П.Кальдерона), Ларисы ("Бесприданница" А.Н.Островского), Нины ("Грибоедов" С.Ермолинского). Юные героини Лилии Гриценко излучали чистоту полудетских, полудевических чувств, музыка помогала окрепнуть характеру многих её героинь. С успехом играла она там героинь и характерные роли: от госпожи Простаковой в "Недоросле" до Бабы Яги в "Аленьком цветочке".

С 1960 г. актриса работала в Московском драматическом театра имени А.С.Пушкина. Одной из её примечательных и своеобразных ролей 1960-х годов была Тереза ("День рождения Терезы" Г.Мдивани). Как режиссёр Гриценко поставила спектакль "Метель" Л.Леонова, где сыграла роль Катерины.

С 1945 г. актриса много снималась в кино; первая роль - Оксана в экранизации оперы П. Чайковского "Черевички"). С тонким лиризмом, большой теплотой и проникновенностью сыграла певицу Забелу-Врубель ("Римский-Корсаков", 1953). Другие роли: Наталья Сергеевна ("Верные друзья", 1954), Софья ("Мать", 1956), Рындычка ("Весёлые Жабокричи", 1973), Мария Андреевна ("Частная жизнь", 1982) и др. Выступала на эстраде как камерная певица.

Последние годы Лилия Олимпиевна нигде не работала. Её иногда могли видеть только во дворе: старая, седая женщина медленно доходила до памятника Эрнсту Тельману у метро "Аэропорт" и с ненавистью грозила ему клюкой…

Умерла Лилия Гриценко в Москве 9 января 1989 г. Похоронена на Новодевичьем кладбище, рядом с братом.