Родившись в бедной семье вологодского крестьянина, авиационную карьеру Ильюшин начал рабочим на аэродроме, где расчищал летное поле. Ильюшин самостоятельно изучил основы математики, физики, химии, что помогло ему стать авиамехаником после призыва в армию. В 1917 году Ильюшин сдал экзамен на права пилота.
После начала гражданской войны Ильюшин едет на фронт, где работает авиамехаником, затем военкомом и начальником авиаремонтного поезда.
По окончании войны Ильюшина направляют на учебу в московский Институт инженеров Красного воздушного флота (позже - Военно-воздушная инженерная академия имени Жуковского). Во время учебы Ильюшин построил три учебных планера. Последний из них - "Москва", на состязаниях в Германии получил первый приз за продолжительность полёта. В 1926 году Ильюшин закончил академию, а в 1931 году - создал и возглавил одно из первых конструкторских бюро.
В 1933 году коллектив этого КБ начал разработку двухмоторного самолета, на котором летчик-испытатель Владимир Коккинаки установил впоследствии ряд рекордов высоты. В 1938-1939 годах на самолетах, разработанных в конструкторском бюро Ильюшина, были совершены беспосадочные перелеты Москва-Владивосток и Москва-США.
Самолеты Ильюшина прославились в годы Великой Отечественной войны. Уже в ее начале - в ночь на 8 августа 1941 года - группа дальних бомбардировщиков "Ил-4" пролетела сотни километров над территорией, занятой фашистами и совершила налет на Берлин. Штурмовик "Ил-2" советские солдаты называли "летающим танком", а фашисты - "черной смертью". В "Ил-2", по мнению пилотов, был удачно найден баланс по весу, скорости, маневренности, бронированию и вооружению.
В 1944 году конструкторское бюро Ильюшина приступает к созданию принципиально новых реактивных самолетов. "Ил-12", которые стали производить на следующий год после окончания войны, позволили заметно увеличить пассажирские перевозки.
Первый рейс "наследника" "Ил-12" - пассажирского самолета "Ил-18" был выполнен в июле 1957 года. Это первый советский пассажирский самолёт, который нашёл широкий спрос на мировом авиационном рынке. Позже в КБ Ильюшина был построен межконтинентальный лайнер "Ил-62", на котором Ильюшин применил принципиально новую схему шасси, до сих пор используемую рядом ведущих авиастроителей.
За заслуги перед Родиной Ильюшин был награжден восьмью орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, двумя орденами Красного Знамени, орденами Суворова 1-й и 2-й степени, Трудового Красного Знамени, двумя орденами Красной Звезды. Бронзовые бюсты Ильюшина установлены в Москве и Вологде. Умер Сергей Ильюшин в 1977 году.
