Вили Лилков е роден на 6 април 1955 г. във Видин. Завършва висшето си образование със специалност „Инженерна физика“ и специализация „Ядрена физика“ през 1980 г. Работи в Химическия комбинат във Видин от 1980 до 1983 г.

Става доцент, а после професор по ядрена физика в Минно-геоложкия университет. От 1999 г. е ръководител на катедра „Физика“ и е настоящ преподавател по обща физика и атомна и ядрена физика в МГУ.

През 1994 г. става член на СДС и след това председател на районната му организация в столичния район „Триадица“. Съучредител е на партията „Демократи за силна България“ (2004), председател е на нейната Софийска градска организация от 2013 г. От 1999 г. е общински съветник в СОС в продължение на четири последователни мандата. От 2011 г. е два мандата зам.-председател на СОС и председател на групата съветници на партията.

На парламентарните избори през октомври 2014 г. става народен представител от листата на Реформаторския блок. През септември 2015 г. Вили Лилков е кандидатът за кмет на София от Реформаторския блок.

На местните избори през 2023 г. е кандидат за кмет на София, издигнат от инициативен комитет, подкрепен от „Синя София“.