Für "David" erhielt Lilienthal bei der Berlinale 1979 den Goldenen Bären. Seine Geschichte über einen Vater und seinen geistig behinderten Sohn "Das Schweigen des Dichters" bescherte ihm 1987 ein Filmband in Gold. Im Jahr 2020 wurde ihm das Bundesverdienstkreuz verliehen.

In den 1960er und 1970er Jahren gehörte Lilienthal zu den Mitbegründern des Neuen Deutschen Films. Mit Kollegen wie Wim Wenders und Rainer Werner Fassbinder rebellierte er gegen die Allmacht der Produzenten und die Fremdbestimmung durch die Filmwirtschaft. In seinen Filmen beschäftigte sich Lilienthal unter anderem mit den Militärdiktaturen in Lateinamerika und später auch mit den Erfahrungen seiner jüdischen Abstammung.