Οι περιοχές της Λίλαιας και του Πολύδροσου κατά την αρχαιότητα ανήκαν στο βόρειο μέρος της Φωκίδας, που βρισκόταν στην κοιλάδα του ποταμού Κηφισού, και γνώρισαν ιδιαίτερη άνθηση λόγω της ευνοϊκής τους θέσης στο σταυροδρόμι των δύο βασικών οδικών αξόνων, που σενέδεαν τη Θεσσαλία με τη νότια Ελλάδα. Από τις φωκικές πόλεις της περιοχής αυτής (Χαράδρα-Μαριολάτα, Λίλαια-Κάτω Αγόριανη, Έρωχος-Πολύδροσος, Δρυμαία-Γλούνιστα, Αμφίκλεια-Δαδί) η Λίλαια ξεχώριζε για τα πλούσια νερά της, που από τα πανάρχαια χρόνια συνδέονταν με τις πηγές του ποταμού Κηφισού, μάλιστα το όνομά της οφείλεται στη νύμφη Λίλαια, κόρη του θεοποιημένου ποταμού. Στον «Κατάλογο των νεών» της Ιλιάδας (Β 523) η πόλη επίσης συνδέεται με τις πηγές του Κηφισού, ενώ ο ομηρικός ύμνος στον Απόλλωνα αναφέρει ότι τα όμορφα νερά του Κηφισού πηγάζουν από τη Λίλαια και χύνονται μπροστά της. Μάλιστα, οι κάτοικοί της πίστευαν ότι το νερό της Κασταλίας πηγής στους Δελφούς ήταν δώρο του Κηφισού, γι' αυτό ορισμένες μέρες το χρόνο έριχναν στην πηγή γλυκίσματα και πίστευαν ότι αυτά αναφαίνονταν στην Κασταλία κρήνη. Η πόλη αναφέρεται και από το Στράβωνα (9.407), τον Παυσανία (10.33.3-5), τον Πτολεμαίο (3.14.14) και τον Πλίνιο (Φυσ. Ιστ. 4.27).

Τα ίχνη κατοίκησης στην περιοχή χρονολογούνται από τα πρωτοελλαδικά χρόνια (3η χιλιετία π.Χ.). Μετά την καταστροφή των φωκικών πόλεων το 346 π.Χ. από το Φίλιππο Β΄, βασιλιά της Μακεδονίας, η Λίλαια συνοικίσθηκε με τη γειτονική πόλη Έρωχο, που ταυτίζεται με το λόφο του Αγίου Βασιλείου και το χώρο του νεκροταφείου του Πολυδρόσου. Τα τείχη της κατασκευάσθηκαν πιθανότατα στα μετά το Φίλιππο χρόνια της ανοικοδόμησης των φωκικών ακροπόλεων, ενώ δείγματα μιας παλαιότερης οχύρωσης σώζονται στην κορυφή της ακρόπολης. Αυτό ίσως ήταν το τείχος της Λίλαιας πριν από την καταστροφή του Φιλίππου Β΄.