Née Lilya Ginzberg en Lithuanie.

Menchévique avant 1917. Émigre à Berlin en 1923, où elle se marie au dirigeant socaliste russe Samuel Estrine et évolue vers le communisme.

En 1933, la victoire nazie oblige le couple à déménager à Paris. Lilya Estrine rencontre Léon Sédov, le fils de Trotsky. Elle rejoint l'Opposition de Gauche et assure alors la publication du Bulletin de l'Opposition, la publication trotskyste à destination de la Russie. Par aileurs, elle se sépare de son mari.

En 1938, Sédov meurt dans des conditions suspectes. L. Estrine est alors soupçonnée par de nombreux trotskystes d'être liée aux services soviétiques, mais Trotsky lui conserve sa confiance. Elle assure alors avec Zborowski (dont l'appartenance au NKVD est prouvée) la publication du Bulletin.

Au début de la guerre, Estrine émigre aux États-Unis avec son futur mari, David Dallin, un historien de tendance menchévique. Par ailleurs, elle sera en mesure de sortir aussi Zborowski de France, alors interné dans le sud de la France, et de l'aider dans son installation à New York.

Aux États-Unis, rompt discrètement avec la IV° internationale et cesse toute activité politique.

En 1956 puis en 1972, elle fut mise en cause et soupçonnée d'avoir été un agent du Kremlin. Mais elle fut à chaque fois innocentée, même si de nombreux observateurs restent cnvaincus qu'« elle n'a pas tout dit ».