Ю. В. Ильиным было обнаружено существование обратной транскрипции в не инфицированных вирусами клетках. Он также показал, какова их роль в транспозициях мобильных дисперсированных генов. Помимо этого, им было установлено, что наиболее широко представленные в геноме мобильные элементы типа LINE содержат ген, кодирующий обратную транскриптазу. Применив методы генной инженерии, выделил и изучил свойства активного фермента — продукта этого гена.
Ю. В. Ильиным был описан целый ряд регуляторных элементов, взаимодействующих с клеточными белками и отвечающих за контроль уровня экспрессии мобильных генетических элементов. Он создал оригинальные системы, помогшие расшифровать генетические и молекулярные механизмы активации мобильных элементов в клетках животных.
Для генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II, Ю. В. Ильиным открыт новый тип регуляции транскрипции, использующий для этого внутренние промоторы. В частности, им были выявлены и охарактеризованы два типа внутренних промоторов. Впоследствии эти типы были обнаружены не только у мобильных элементов, но и у ряда клеточных генов, играющих важную роль в развитии. Было показано, что в случае мобильных элементов локализация всех регуляторных последовательностей внутри элемента делает экспрессию последнего независимой от генома хозяина.
Подготовил 15 кандидатов и 3-х докторов наук, среди его учеников лауреат премии Ленинского комсомола, лауреат Государственной премии РФ.
Опубликовал более 200 научных работ и 1 монографию.
