Samarbetet gäller Astrazenecas läkemedelskandidat mot Alzheimers sjukdom, en så kallad BACE hämmare, som när som hels kommer att gå in i sen klinisk fas.
Enligt avtalet ska Lilly betala Astrazeneca upp till 500 miljoner dollar beroende på hur utvecklingen av det nya läkemedlet blir. Astrazeneca säger i en kommentar att företaget förväntar sig en första betalning under första halvåret 2015.
De två företagen ska dela lika på kostnaderna för utveckling och kommersialisering av den nya behandlingen som än så länge går under namnet AZD3293.