Lydia Kirsche schloss ihr Bachelorstudium in Molekularer Biotechnologie an der TU Dresden ab. Während ihres Abschlussjahres nahm sie am internationalen iGEM-Wettbewerb für synthetische Biologie teil und entwickelte eine Plattform zur Verkapselung von Bakterien. Anschliessend studierte sie Molekulare Medizin an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. In ihrer Masterarbeit am Universitätsklinikum Jena untersuchte sie die räumliche Verteilung von HPV-Integrationsstellen in zervikalen Präkanzerosen.

Sie promovierte in Mikrobiologie und Immunologie an der Universität Zürich in der Arbeitsgruppe von Prof. Anne Müller. Während ihrer Promotion befasste sie sich mit dem Mikrobiom von Kindern unterschiedlicher Herkunft, den Auswirkungen von Antibiotika auf die frühkindliche Entwicklung, der Rolle des Mikrobioms bei Magenkrebs sowie der Anwendung fäkaler Mikrobiom-Transplantationen. Ihre Forschungsinteressen liegen weiterhin in diesen Bereichen, insbesondere an den Schnittstellen von Mikrobiomforschung, Immunologie und klinischer Translation.