Ülo Lille on sündinud 16. septembril 1931 Pärnumaal Lelle vallas talupidajate kolmelapselises peres. Kooliteed alustas ta Lelle algkoolis ja aastatel 1946−1950 jätkas õpinguid Rapla keskkoolis. 1955. aastal lõpetas ta Tallinna tehnikaülikooli insener-keemik-tehnoloogi diplomiga. Aastatel 1955−1957 töötas Ülo Lille vahetusmeistri ja tehnoloogina Kiviõli keemiakombinaadis, millele järgnes aspirantuur tehnikaülikoolis ning tehnikakandidaadi väitekirja kaitsmine teaduste akadeemia juures 1960. aastal teemal “Küllastamatute süsivesinikgaaside saamine põlevkivi pürolüüsil”.
1959. aastal alustas Ülo Lille tööd vastloodud Kohtla-Järve põlevkivi teadusliku uurimise instituudis, kus töötas vanemteaduri ja sektorijuhataja ametikohtadel. 1973. aastal kaitses ta teaduste akadeemia juures tehnikadoktori väitekirja teemal „Uurimised alküülresortsiinide vallas“. 1975. a asus Ülo Lille tööle teaduste akadeemia keemia instituudis, algul puhaste ainete sektori juhatajana, hiljem osakonnajuhataja ja vanemteadurina. Professori kutse omistati talle 1984. a orgaanilise keemia alal. Aastatel 1992−1997 oli ta Tallinna tehnikaülikooli orgaanilise keemia õppetooli juhataja ja keemia instituudi osakonnajuhataja, 1997−2013 bioorgaanilise keemia erakorraline vanemteadur. Alates 1997. aastast on Ülo Lille Tallinna tehnikaülikooli emeriitprofessor.
Eesti teaduste akadeemia liikmeks valiti Ülo Lille 1983. aastal biotehnoloogia alal.
Ülo Lille põhiliseks uurimisvaldkonnaks oli esmalt prostaglandiinide keemia ning selle rakendused humaan- ja veterinaarmeditsiinis. Tema initsiatiivil 1970ndate aastate lõpul alustatud prostanoidide biokeemilise ja keemilise sünteesi alastest uurimustest kujunes Eestis viljakas teadussuund. Hiljem on ta huvitunud taas eesti kukersiidi kerogeeni struktuurist ja tekkest, kuid nüüd juba molekulaarse simulatsiooni tasandil. Ta on andnud oma panuse ka materjaliteadusesse, modelleerides elektronjuhitavaid polümeere, mis nn „orgaanilise elektroonika“ kõrval võivad olla olulise tähtsusega tulevikumeditsiinis.
Aastatel 1981−1991 on akadeemik Lille juhendamisel kaitstud kaheksa kandidaadiväitekirja orgaanilise keemia erialal. Ta on avaldanud üle 200 teadusliku publikatsiooni. Aastatel 1993−2007 oli ta ajakirja „Eesti Teaduste Akadeemia Toimetised. Keemia“ toimetuskolleegiumi esimees.
1987. aastal omistati Ülo Lille juhitud kollektiivile Eesti teaduspreemia, 1991 sai ta Eesti TA medali ning 2001 Valgetähe V klassi teenetemärgi. 2011. aastal pälvis ta teaduspreemia pikaajalise tulemusliku teadus- ja arendustöö eest.