อุปสมบทเป็นพระภิกษุ เมื่อปี พ.ศ ๒๕๐๔ โดยมีพระครูถาวรชัยเขต เป็นพระอุปัชฌาย์ พระทิพย์ เป็นพระกรรมวาจาจารย์ และพระจันลา เป็นพระอนุสาวนาจารย์ 

     ในปี พ.ศ ๒๕๑๒ พระอาจารย์เลี่ยม ได้ออกเดินทางเสาะแสวงหาครูบาอาจารย์เพื่อเรียนรู้ธรรม จนได้มาพบสำนักของพระโพธิญาณเถร (ชา สุภัทโท) วัดหนองป่าพง ซึ่งเป็นวัดที่ร่มรื่น สะอาดสะอ้าน เสนาสนะมีระเบียบเรียบร้อย ดูแล้วเย็นใจ และได้กราบนมัสการหลวงพ่อชา ขอฝากตัวเป็นศิษย์ ในการนี้เอง หลวงพ่อชา ท่านได้เมตตาเปลี่ยนบริขารทุกอย่างให้หมด

     ระเบียบปฏิบัติของหลวงพ่อชา ถือว่าเข้มงวดมาก แต่หลวงพ่อเลี่ยมก็ไม่ได้ย่อท้อแต่อย่างใด เพราะเคยฝึกมาตั้งแต่สมัยอยู่ที่วัดเดิม ซึ่งถือว่าตรงกับรูปแบบของตัวเองมากกว่าที่จะสร้าง ความยุ่งยากในฝึกฝนเพื่อเข้าถึงแก่นแท้ของพระศาสนา ด้วยความพรากเพียร แม้แต่ในวันพระก็ถือ เนสัชชิก คือการไม่นอนตลอดคืน ก็อยู่ได้อย่างสบาย จนจิตรู้สึกสว่างไสวและมี ความสุขจากการปฏิบัติธรรม

     ในปี พ.ศ. ๒๕๑๖ กราบลาหลวงปู่ชา สุภัทโท ไปศึกษาข้อวัตรข้อปฏิบัติของครูบาอาจารย์ ฝ่ายธรรมยุติ

     ปี พ.ศ. ๒๕๑๖ หลวงปู่ชา สุภัทโท ได้ส่งท่านไปเผยแผ่พระพุทธศาสนา ณ วัดสาขาของวัดหนองป่าพง ที่นครเวียงจันทน์ ประเทศลาว และ ๑ พรรษา ต่อมา ได้เกิดเหตุการณ์ไม่สงบในประเทศลาว หลวงปู่ชา สุภัทโท จึงเรียกตัวท่านกลับ

     เมื่อปี พ.ศ. ๒๕๓๗ ได้รับแต่งตั้งเป็นเจ้าอาวาสวัดหนองป่าพง โดยพระอาจารย์เลี่ยม ฐิตธัมโม ยอมรับ หน้าที่ด้วยเหตุผลว่า

     “ จะทำงานเพื่อครูบาอาจารย์ผู้มีพระคุณ ทำตามพระวินัย ผู้ที่ ทำหน้าที่นั้นต้องเสียสละ จึงจะทำหน้าที่นั้นและอยู่ได้อย่างสบาย ทำงานได้อย่างไม่เหน็ดเหนื่อย ”

     ท่านทำงานเป็นการออกกำลังกาย ทำงานด้วยความว่าง ทำไป เรื่อยๆ จึงจะไม่รู้สึกว่าหนัก แม้แต่การขบฉันก็ต้องฉันเพียงเพื่อประทังชีวิต ฉันตามความปรารถนาไม่ได้ เพราะฉันมากจะง่วงซึม