Han har haft et afvekslende juridisk arbejdsliv. De sidste 31 år som dommer i Vestre Landsret.
Desuden har han været sekretær i Nordisk Råds juridiske udvalg, formand for overlandvæsenskommissionerne, censor ved universiteterne, medlem af Den Særlige Klageret, næstformand i Dommerudnævnelsesrådet og dommer i Voldgiftsnævnet for bygge- og anlægsvirksomhed. En af de markante sager for Peter Lilholt var nævningesagen fra 1995 om en kenyaner, der havde dræbt sin danske samlever og mor til deres to børn og derefter parteret liget og kastet ligdelene i Århus Å (U 1995.764). Sagen gav anledning til, at Folketinget ændrede reglerne om forældremyndighed. Også en nævningesag i 1997 står klart i erindringen. Den kvindelige domfældte kastede sig efter domsafsigelsen ind over dommerskranken og råbte til ham: »Jeg dræber dig!«. Sagen fra 2000 om en massevoldtægt af en ung pige i en skurvogn i Bispehaven gav også genlyd i medierne. Retten gav meget klart udtrykt for sin utilfredshed med de mange politiske udtalelser om sagen, som faldt efter byretsdommen. Peter Lilholt deltog også i sagen om Jyllands-Postens Muhammedtegninger. I sit otium fortsætter han som voldgiftsdommer i Voldgiftsnævnet for bygge- og anlægsvirksomhed, ligesom han fortsætter som medforfatter til Karnovs Lovsamling. Lilholt er æresmedlem af Viborg Roklub.
