Он родился в Кызылорде. В настоящее время обучается на факультете физической культуры Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата.
В декабре 2001 года на проходившем в Семипалатинске чемпионате Казахстана по тяжелой атлетике специальный приз самому юному участнику получил 13-летний школьник из Кызылорды Илья Ильин. Весной 2005 года, к своему 17-летию, выиграл чемпионат мира среди юниоров.
15 ноября 2005 года в столице Катара Дохе, признан лучшим штангистом чемпионата 2005 года. В мае 2006 года в Китае становится чемпионом мира среди юниоров. В этом же году он становится чемпионом мира в категории 94 кг, который проходил в октябре в Санто-Доминго. И в декабре того же 2006 года Илья выигрывает Азиатские игры в Катаре c результатом 401 кг (175+226) в категории 94 кг.
В 2008 году на пекинской Олимпиаде он берёт золотую медаль, взяв в рывке 180 кг и 226 кг в толчке. В 2010 году становится чемпионом Казахстана и чемпионом Азиатских игр, чемпион Казахстана 2011 года.
На чемпионате мира 2011 года в Париже Илья Ильин становится трехкратным чемпионом мира с суммой 407 кг. В июне 2012 года на чемпионате Казахстана в Талдыкоргане победил с суммой 410 кг. На Олимпиаде-2012 в Лондоне победил с суммой 418 кг - абсолютный мировой рекорд в сумме двоеборья и новый мировой рекорд в толчке.
Илья Ильин - первый и пока единственный двукратный Олимпийский чемпион из Казахстана. Награжден орденами «Құрмет» и «Барыс».