Er besuchte das Gymnasium in Anklam und dann die Gewerbeschule in Potsdam; nach einem Praktikum in der Berliner Maschinenfabrik von Schwartzkopff nahm er ein Studium an der Gewerbeakademie Charlottenburg auf. 1870 legte er das Examen ab und meldete sich als Freiwilliger des Deutsch-Französischen Kriegs. 1886 trat er dem Deutschen Verein zur Förderung der Luftschiffahrt bei. Lilienthal untersuchte die Aerodynamik des Vogelflugs und erkannte den Vorteil des gewölbten Flügels. Seit 1891 führte er von erhöhten Geländepunkten (seit 1893 in den Rhinower Bergen) über 2 000 Gleitflüge mit selbstgebauten "Hängegleitern" durch. Mit seinen selbstgebauten Ein- und Doppeldeckern (1890-1896 mehr als 30 Fluggeräte) gelangen ihm Gleitflüge bis zu 400 Metern. Bei einem Flug mit einem Eindecker erlitt er durch Absturz bei Stölln (Kreis Rathenow) tödliche Verletzungen. Seine Hauptwerke: Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst (1889); Die Flugapparate - allgemeine Gesichtspunkte bei deren Herstellung und Anwendung (1894). Lilienthal entwickelte auch Kleinmotoren sowie einen Schlangenrohrkessel für Dampferzeugung und war Erfinder des Steinbaukastens. Lilienthal wohnte bis zu seinem Tode in Groß-Lichterfelde. 1914 wurde ihm in den Parkanlagen am Kanal ein Denkmal errichtet. An der Schütte-Lanz-Straße wurde 1932 auf dem elf Meter hohen Flughügel, den er für seine Flugversuche hatte aufschütten lassen, eine Gedenkstätte eingerichtet. Er ist auf dem Alten Friedhof Lichterfelde-Ost, Lange Straße, bestattet.