Lilius studier gällde främst ungdomspsykologin och didaktiken. Inom det förra området blev han mest bekant för Skolålderns själsliv (1–2, 1916), som utkom i många upplagor, och De växandes känsloliv (1–2, 1922–24). Inom didaktiken är Skolpedagogikens huvudfrågor (1926) hans mest betydande arbete.