Lillestøl ble cand.real. i 1964 ved Universitetet i Bergen og dr.philos. i 1970 samme sted. Han ble ansatt på Institutt for fysikk og teknologi ved UiB i 1970-årene og ble utnevnt til professor i 1984. Han har hatt forskningsopphold ved CERN i Sveits, ved College de France i Paris og DESY i Tyskland. Han var nestleder for CERNs fysikkdivisjon 1990–1992, og fra 1992 til 2009 leder av den europeiske skolen i partikkelfysikk, CERN Schools of Physics.