Dipinse soprattutto nella sua città natale e a Roma, dove fu attivo a partire dall'inizio del XVII secolo fino a circa il 1640. Papa Sisto V gli commissionò la decorazione della Biblioteca vaticana e la decorazione della Scala Santa. In quest'ultimo luogo dipinse Mosè che colpisce la roccia e Mosè con il Serpente di Bronzo.
La sua arte si inserisce nel Manierismo; fu forse allievo di Federico Barocci. È possibile che il Lilli collaborò alle illustrazioni dell'Iconologia di Cesare Ripa, che rimase fonte popolare per motivi pittorici per secoli.
In una cappella della Chiesa Nuova di Roma dipinse l'Arcangelo Michele che scaccia gli angeli caduti dal cielo ed ha continuato a ornare le chiese e conventi di Roma durante tutto il pontificato di papa Clemente VIII.
Uno dei suoi capolavori, il Martirio di San Lorenzo, è stato dipinto per la chiesa di Santa Caterina ad Ancona. Ha dipinto Cristo che lava i piedi dei suoi discepoli per la navata della Basilica di Santa Maria Maggiore a Roma. Lavorò anche alla Cappella Sistina (cappella della Natività) e alla cattedrale di Fano.
Quattro nuovi dipinti allegorici del Lilli sono stati identificati a Milano, nel Museo Bagatti Valsecchi.
Di lui si conservano nella Pinacoteca civica Francesco Podesti di Ancona i dipinti: Quattro Santi in estasi, Storie di San Nicola da Tolentino (undici quadretti), Il Crocifisso fra San Giovanni Battista e San Nicola da Tolentino, L'incredulità di San Tommaso e la Veduta di Ancona, frammento di pala d'altare che testimonia l'aspetto di Ancona nel Cinquecento vista dal porto. Nella chiesa di San Francesco alle Scale di Ancona si trova il quadro Angeli che trasportano la Santa Casa di Loreto.
Riguardo alla data e al luogo di morte restano incertezze. La tesi più accreditata resta quella di Giovanni Baglione, secondo la quale egli morì ad Ascoli Piceno, mentre attendeva alla decorazione di lavori che poi dovette lasciare interrotti. Presumibilmente si tratta delle lunette (rimaste in numero di tre con le restanti incomplete) raffiguranti scene della Vita di San Benedetto nel chiostro del monastero di Sant'Angelo Magno, eseguite in un non precisato anno del quarto decennio del secolo.
Bibliografia
Giovanni Baglione, Le vite de' pittori scultori et architetti. Dal Pontificato di Gregorio XIII del 1572 in fino a'tempi di Papa Urbano VIII nel 1642, Roma 1642, pp. 139 s.
Simona Bonsignori, Andrea Lilli nella pittura delle Marche tra Cinquecento e Seicento - Editore Multigrafica, 1985
Luciano Arcangeli, Andrea Lilli (catalogo della mostra alla Pinacoteca Civica Francesco Podesti di Ancona), 1985
Massimo Pulini, Andrea Lilio, edito da 24 Ore Cultura, 2003