Lilleholt har gjennomført økonomiske og samfunnsvidenskapelige studier ved Odense Universitet og ble utdannet fra Journalisthøjskolen i 1993. Etter å ha arbeidet ved og ble han ansatt i Danske Fjernvarmeværkers Forening i 1995. Her var han informasjonssjef fra 1998 til 2001.