Peter Lilienthal wird 1929 in Berlin geboren und emigriert mit seiner Mutter 1939 nach Uruguay. An der Universität Montevideo nimmt er ein Kunstgeschichts- und Jurastudium auf und beteiligt sich im Universitäts-Filmclub an der Produktion von sozialkritischen Kurzfilmen.

1954 kehrt Lilienthal nach Berlin zurück und erhält zwei Jahre später ein Stipendium für ein Studium am Institut des Hautes Etudes Cinématographiques (IDHEC) in Paris. Schließlich wechselt er an die Hochschule für bildende Künste in Berlin, wo er zunächst Malerei und Formgestaltung, dann experimentelle Fotografie und Film studiert. 1959 bis 1961 arbeitete Lilienthal als Regie- und Produktionsassistent beim Südwestfunk, 1961 bis 1964 als Regisseur beim gleichen Sender. Sein Kinodebüt gibt Peter Lilienthal 1970 mit "Malatesta".

Ab 1985 fungiert Peter Lilienthal (bis 1996) als Direktor der Abteilung Film und Medien an der Akademie der Künste in Berlin. Bis heute lehrt er an der Kunsthochschule für Medien in Köln und der Deutschen Film- und Fernsehakademie Berlin.