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. Лилия Гриценко
Фильмография:
1. Черевички - 1944 - Оксана
2. Прощай, Америка! - 1951
3. Белинский - 1951
4. Римский-Корсаков - 1952 - Забела-Врубель
5. Верные друзья - 1954 - Наталья Сергеевна
6. Мать - 1955 - Софья
7. Кровавый рассвет - 1956 - Маланка
8. Иван Франко - 1956 - Ольга
9. Полюшко-поле - 1956 - Катерина Холина
10. Мелочи жизни - 1958
11. Адрес Ильича - 1958
12. Андрейка - 1958 - Анна
13. Шофёр поневоле - 1958 - Клавдия Васильевна
14. Неподдающиеся - 1959 - мама Нади
15. Хованщина - 1959
16. Ребята с Канонерского - Тётя Люся
17. Чужая беда - 1960 - бухгалтерЛилия Гриценко
18. Горизонт - 1961 - Голованова
19. Тишина - 1963 - Мукомолова
20. Знойный июль - 1965
21. Седьмой спутник - 1967
22. Семья Коцюбинских - 1970
23. Веселые жабокричи - 1972 - Рындычка
24. Адрес вашего дома - 1972
25. Полковник в отставке - 1975 - Олимпиада Касьянова
26. Ключ без права передачи - 1976 - Лилия Олимпиевна
27. Поездка через город - 1979 - старушка
28. Фантазии Фарятьева - 1979 - Тётя
29. Просто ужас - 1982
30. Частная жизнь - 1982
31. Долгая дорога к себе - 1983
32. Ученик лекаря - 1983
33. Парад планет - 1984 - Мать
34. Я тебя помню - 1985Могила Лилии Гриценко на Новодевичьем кладбище
35. Личное дело судьи Ивановой - 1985 - Бабушка
36. Пять минут страха - 1985
37. Работа над ошибками - 1988
Озвучивала мультфильмы:
1. Ночь перед Рождеством - 1951
2. Полёт на Луну - 1953
3. Остров ошибок - 1955
4. Стёпа-моряк - 1955
5. Небесное создание - 1956
6. Исполнение желаний - 1957