Fue hijo de José Nazario Lillo Mendoza y Mercedes Figueroa y hermano de Samuel A. Lillo. Nació en la ciudad minera de Lota el 6 de enero de 1867, en la que pasaría toda su infancia y parte de su adultez. Por razones económicas debió dejar sus estudios (alcanza solo el segundo año de humanidades) para trabajar, consiguiendo empleo como "oficial de pluma" (empleado administrativo) en una de las pulperías mineras. Este trabajo le dio tiempo para la lectura, afición en la que lo inicia su padre, y además le permitió conocer la realidad de los minero del carbón de su Lota natal, que plasmaría en sus obras. El se trasladó a Santiago de Chile en 1898, al conseguirle su hermano Samuel un cargo administrativo en la Universidad de Chile.
Los temas de sus cuentos estuvieron siempre vinculados a los sectores más marginados y explotados de la sociedad chilena, prevaleciendo en sus historias el sufrimiento y humanidad de los personajes. Sus cuentos están cargados de los más mínimos detalles, debido principalmente a su carácter naturalista. Su primer cuento publicado fue "Juan Fariña", premiado en un concurso de La Revista Católica de Santiago en 1901. Colaboró después en El Mercurio y la revista Zig-Zag, apareciendo en esta última regularmente su obra.
Entre sus obras principales se encuentran las colecciones de cuentos "Subterra" (1904, serie de relatos mineros del carbón de Lota más dramáticos), " basados en los Subsole" (1907, basado en la vida rural, incluyendo cuentos menos dramáticos), "Inamible" y "Quilapán".
Hacia el final de su vida comenzó a redactar La huelga, una novela sobre la matanza de Santa María de Iquique que debía de ser su obra maestra, pero murió producto de una tuberculosis pulmonar crónica el 10 de septiembre de 1923, sin haber concluido el trabajo.
