Hun har sin bakgrunn som tillitsvalgt i trygdeetaten og var forbundsleder siden 1998. Lilleheie ble medlem av LO i 1980. Hun har vært tillitsvalgt i NTL avdeling 103-33 i Hordaland, før hun ble tillitsvalgt i landsforeningen i trygdeetaten. I 1997 ble hun nestleder i NTL. I 1998 ble hun valgt til leder i NTL. Hun var leder i Drammen Kvinnesaksforening fra 2015 til 2020, og nestleder i Norsk Kvinnesaksforening på nasjonalt nivå i perioden 2016–2018.