Buvo jauniauisias iš devynių vaikų šeimoje. Mokyklą pradėjo lankyti tik 9-erių metų, 15 metų dirbo paprastu darbininku. 1919–1921 m. dalyvavo pilietiniame kareRaudonosios armijos sudėtyje (aviamechanikas). 1921–1926 m. mokėsi N. Žukovskio vardo karo aviacijos akademijoje, baigęs iškart pradėjo dirbti Rusijos karinių oro pajėgų mokslo ir technikos komitete. 1935 m. pradėjo vadovauti konstruktorių biurui, vėliau peraugusiam į „Iljušin“ kompaniją.
Nuo 1943 m. S. Iljušinas pradeda kurti keleivinius lėktuvus. Seriją pradėjo Il-12, vėliau buvo Il-14, Il-18 (plačiausiai naudoti sovietiniai lėktuvai), tarpkontinentinis Il-62, tapęs „Aeroflot“ flagmanu. Paskutinis jo sukurtas lėktuvas – Il-62.
