
Liliyana merupakan anak bungsu dari pasangan Beno Natsir dan Olly Maramis alias Auw Jin Chen. Dia memiliki seorang kakak perempuan yang bernama Calista Natsir. Sejak duduk di sekolah dasar, Lilyana sudah bergabung dengan klub bulu tangkis Pisok, Manado. Pada tahun 1997, Lilyana yang berusia 12 tahun diterima masuk di PB Tangkas, Jakarta. Liliyana sudah tiga kali berpartisipasi di ajang bulu tangkis Olimpiade selama kariernya, dimana dia memperoleh 1 medali emas di Olimpiade Rio 2016 , terhenti di semifinals Olimpiade London 2012 dan kalah di final Olimpiade Beijing 2008 di ganda campuran. Di ganda putri Liliyana berpasangan dengan Vita Marissa di Olimpiade Beijing 2008 dan terhenti di babak pertama.
Liliyana bertanding di Ganda Campuran berpasangan dengan Tontowi Ahmad memperoleh medali emas setelah mengalahkan pasangan Malaysia di final. Liliyana bertanding di Ganda Campuran berpasangan dengan Tontowi Ahmad dikalahkan oleh pasangan Denmark dalam perbutan medali perunggu. Natsir bertanding di ganda campuran berpasangan dengan Nova Widianto dan memperoleh medali perunggu. Di final mereka dikalahkan oleh pasangan dari Korea Selatan Lee Yong-dae dan Lee Hyo-jung dalam dua set 21–11 dan 21–17. Liliyana juga bertanding di ganda putri berpasangan dengan Vita Marissa dan dikalahkan oleh pasangan Tiongkok Zhang Jiewen dan Yang Wei di babak pertama.