Sündinud 16.septembril 1939 Pärnumaal Saarde vallas. Lõpetanud Kilingi-Nõmme Keskkooli (1958) ja Tartu Riikliku Ülikooli bioloogiaosakonna (1963). Esimene töökoht oli Põlvas, kus pidas koolmeistri ametit. Seejärel oli TRÜ arstiteaduskonna aspirant ja nooremteadur ning kaitses 1972.aastal bioloogiakandidaadi kraadi biokeemia erialal.

Alates 1970.aastast töötab TA (praegu EPMÜ) Zooloogia- ja Botaanikainstituudis, kus oli 10 aastat lindude ökoloogia sektori ja laboratooriumi juhataja. 1993.aastal sai Tartu Ülikooli dotsendiks.

Ornitoloogia vallas on tegelnud suluspesitsevate metsalindude ökoloogia, rohe-lehelinnu leviku ja ökoloogia, kalakajaka populatsiooniökoloogia ja käitumise, luhtade ja saarte linnukoosluste, ranniku- ja veelindude pesitsusökoloogiaga. On trükis avaldanud üle 130 töö ning olnud viljakas raamatute ja kogumike koostaja ja toimetaja. Eriti väärib märkimist raamatu “Birds of Estonia” (1994) toimetamine koos Heinrich Veromani ja Eerik Leibakuga ning “Eesti Punase Raamatu” (1998) koostamine ja toimetamine. 

Sama aktiivne ja viljakas on Vilju Lillelehe tegevus olnud mitmetes linnu- või laiemalt looduskaitselistes organisatsioonides (TA Looduskaitsekomisjon, Eesti Looduseuurijate Selts, Lindude Rände Uurimise Balti Komisjon jt.). Konkreetselt ornitoloogiaühingus on kaua aega kuulunud juhatusse ja olnud erinevate komisjonide esimees. Näiteks juhib ta juba 23 aastat linnuharulduste komisjoni ja 10 aastat linnunimetuste komisjoni. Ka on Vilju Lilleleht randa uhutud lindude loenduse projekti juht.

1999.aastal pälvis Eerik Kumari nimelise looduskaitsepreemia.