На долю Лилии выпало немало испытаний. За участие в Сентябрьском восстании 1923 года отца-революционера Александра Карастоянова расстреляли, мать вместе с детьми бросили в тюрьму. Освободиться из мест лишения свободы удалось только при содействии Международной организации помощи борцам революции, семью переправили в СССР. Но отдыхать долго не пришлось, вскоре мать Лилии Георгицу Карастоянову командировали в Европу с очередным поручением Коминтерна. Младшие дети Елена и Александр оказались в интернациональном детском доме Москвы, Лилия – в 1-м Пионердоме на Красной Пресне. После девочку забрал к себе на воспитание видный политический деятель Емельян Ярославский.
В 1931 году Лилия вступила в комсомол, вышла замуж. В предвоенные годы работала в издательстве «Молодая гвардия», в газете «Комсомольская правда». В 1941 году мобилизовали ее супруга, а сына вместе с детским садом отправили в эвакуацию в Сибирь. Лилия устроилась в редакцию газеты «Все для города Ленина!» в Вологде, ставшей основным транзитно-распределительным пунктом эвакуации людей из блокадного Ленинграда.
Летом 1942 года Карастоянова вернулась в Москву на прежнее место работы в «Комсомолку». После получения сообщения о гибели мужа прошла подготовку в составе организаторской группы НКВД и отправилась за линию фронта в партизанский отряд А. Ф. Фёдорова. В составе отряда Лилия участвовала во множестве диверсий на территории Брянской и Гомельской областей, работала в редакции подпольной газеты «Большевик».
В январе 1943-го партизаны подверглись массированной бомбежке. Было принято решение оставить лагерь. Несколько недель две с лишним тысячи человек с боями продвигались из немецкого окружения. Лилия погибла в бою близ деревни Будище Чечерского района. Короткая схватка за околицей уже заканчивалась, когда девушка увидела торчащий из саней ствол немецкого миномета. Желая завладеть вражеским трофеем, она бросилась к саням, но ее сразила автоматная очередь, одна из пуль попала в сердце.
Лилии было всего двадцать пять лет. Отважную патриотку похоронили в братской могиле в Чечерске. Посмертно Карастоянова награждена орденом Отечественной войны II степени, медалью «Партизану Отечественной войны» I степени и болгарским орденом «Народна свобода» I степени.
