Nach dem Frieden von Tilsit wurde Lilljeström am 27. Dezember 1807 zum leichten Bataillon „von Schill“ versetzt. Mit Patent vom 21. Oktober 1804 wurde er am 20. August 1808 als Sekondeleutnant in das Leib-Infanterie-Regiment versetzt. Dort avancierte er am 5. April 1812 zum Premierleutnant und nahm 1812 am Preußischen Feldzug gegen Russland teil. Er kämpfte bei der Belagerung von Riga und den Gefechten bei Dahlenkirchen, Gräfenthal und Tomczno. Für Dahlenkirchen erhielt Lilljeström am 30. Oktober 1812 den Orden Pour le Mérite. Am 16. Juni 1813 wurde er zum Stabskapitän befördert und am 19. Juni 1813 in das 2. Garde-Regiment zu Fuß versetzt. Während der Befreiungskriege kämpfte er in der Schlachten bei Großgörschen, Bautzen, Dresden, Leipzig, Brienne, Arcis-sur-Aube und Paris, ferner in den Gefechten bei Königswartha, Pfannendorf und Obergraupen. Für Leipzig erhielt Lilljeström das Eiserne Kreuz II. Klasse. Bei Paris wurde er verwundet und mit dem Orden der Heiligen Anna II. Klasse sowie dem Ritterkreuz des Militär-Max-Joseph-Ordens ausgezeichnet.