Lilly var en kvalifisert lege og psykoanalytiker. Han kom bidrag innen feltene biofysikk, nevrofysiologi, elektronikk, informatikk og nevroanatomi. Han oppfant og oppmuntret anvendelsen av isolasjonstanken som et middel til sansedeprivasjon. Han var også en pioner i å forsøke kommunikasjon mellom arter når det gjaldt mennesker og delfiner.