Efter avslutad kurs vid Karlberg och avlagd officersexamen, utnämndes Lilliehöök 1852 till underlöjtnant vid Västgöta-Dals regemente. Efter att han under den följande tiden genomgått Gymnastiska centralinstitutet i Stockholm, ingick han 1858 i fransk tjänst och fick anställning vid franska arméns andra zuavregemente i Algeriet. I april året därpå följde han samma regemente till Italien för att deltaga i det nyss utbrutna kriget mot Österrike. Under den blodiga stormningen av Magenta lyckades Lilliehöök med sina zuaver tränga in i byn, där han mitt under striden tillfångatog en avdelning tyrolerjägare och förde dem fångna till de franska reservtrupperna. För detta välförhållande blev han av Mac Mahon prydd med hederslegionens kors. Under juni månad samma år deltog han i bataljerna vid Marignano och Solferino, varefter regementet erhöll order att återvända till Afrika. Här deltog han från september till december 1859 i expeditionen till Marocko och bevistade striderna mot kabylerna vid Kis och Col de Taffouval, varefter han det följande året följde regementet på expeditionen mot östra Kabylien.