Eli Lilly, wnuk płk. Lilly’ego, został szefem spółki w 1932 r., zastępując na tym miejscu swego ojca. W 1934 przeprowadził pierwszą poważną inwestycję zagraniczną, otwierając biuro na terenie Anglii. II wojna światowa wyniosła wielkość produkcji na nieosiągalny wcześniej poziom, głównie dzięki zapotrzebowaniu na środki antyseptyczne i preparaty z osocza krwi. W 1943 r. ruszyła pierwsza na świecie masowa produkcja penicyliny marki Lilly.
Eli Lilly International Corp. zostało powołane w 1943 r. jako przedsięwzięcie mające zwiększyć wielkość handlu zagranicznego. Eli Lilly w 1948 r. zrzekł się przewodnictwa na rzecz brata, Josiah Jr. wyniósł spółkę na giełdę i rozpoczął publiczny obrót jej akcjami; nowym kierownikiem został w 1953 r. Eugene N. Beesley. Był pierwszą osobą spoza rodziny piastującą to stanowisko. thumb|Siedziba główna Eli Lilly and Company w Indianapolis Firma nadal przeżywała okres intensywnego rozwoju. W 1950 r. jej laboratoria w Lafayette, Indiana, zwiększyły produkcję antybiotyków dzięki uzyskanym patentom na erytromycynę. W 1954 powołano do życia spółkę Elanco Products, Co., mającą zająć się sprzedażą środków leczniczych stosowanych w weterynarii. Lilly odważył się na oryginalne, lecz w ostatecznym rozrachunku opłacalne posunięcie przejmując w 1971 r. firmę kosmetyczną Elizabeth Arden za 38 milionów dolarów.