Լիլիթ Պետրոսյանի աշխատանքային փորձառությունն ընդգրկում է պետական մարմիններում, մասնավոր ընկերություններում և միջազգային կազմակերպություններում աշխատանքը: Իր կարիերայի սկզբում նա արժեքավոր փորձառություն է ձեռք բերել ՀՀ ֆինանսների, արդարադատության նախարարություններում և ՀՀ վճռաբեկ դատարանում։
Որպես ՀՀ Արդարադատության նախարարության «Օրենսդրության զարգացման կենտրոն» հիմնադրամի տնօրենի տեղակալ Լիլիթը մասնակցել է բազմաթիվ իրավական ակտերի նախագծերի, ռազմավարությունների և հայեցակարգերի մշակման աշխատանքներին: Նա եղել է տարբեր աշխատանքային խմբերի անդամ, որոնք մշակել են Քաղաքացիական դատավարության օրենսգիրքը, Դատական օրենսգիրքը, Վարչական դատավարության օրենսգրքի և ՎԻՎՕ փոփոխությունները, ինչպես նաև 2019-2023 թվականների դատական և իրավական բարեփոխումների ռազմավարությունը:
Լիլիթ Պետրոսյանի աշխատանքային փորձառությունը ծավալվել է նաև Լոնդոնում որպես EBRD իրավական հետազոտող, և Վարշավայում որպես Dentons իրավաբանական ընկերության խորհրդատու։
Կարևորելով արդարադատության ոլորտի զարգացումը՝ Լիլիթը հանդիսացել է նաև Արդարադատության արդյունավետության եվրոպական հանձնաժողովի (CEPEJ) ազգային թղթակից անդամ՝ ղեկավարելով դատական համակարգի գնահատման հետ կապված գործընթացները:
Լիլիթն աշխատել է նաև որպես իրավական փորձագետ Եվրոպայի խորհրդի, ԵՄ-ի, IFES-ի և PIN-ի կողմից իրականացվող տարբեր նախագծերում: Միևնույն ժամանակ, նա հանդիսանում է նաև Երևանի պետական համալսարանի Իրավագիտության ֆակուլտետի քաղաքացիական դատավարության ամբիոնի դասախոս: