Родился 18 (30) марта 1894[1][2] в деревне Дилялево (ныне Вологодский район, Вологодская область) в семье крестьянина-бедняка Владимира Ивановича Ильюшина и его жены Анны Васильевны. В семье Ильюшиных было девять детей, из них выжили и выросли семь. Сергей был самым младшим.

 

 

Сдав экзамены, 21 сентября 1921 года Сергей Владимирович был зачислен в Институт инженеров Красного Воздушного Флота (с 1922 года — Военно-воздушная Академия имени профессора Н. Е. Жуковского).

Во время учёбы Ильюшин активно участвовал в работе кружка планеристов Мастерских тяжёлой и осадной артиллерии.

В 1923 году С. В. Ильюшин спроектировал свой первый планёр «Мастяжарт» (АВФ-3). Построив его вместе с участниками кружка, принял участие в Первом Всесоюзном слёте планеристов в Коктебеле в ноябре 1923 года. Позднее спроектировал и построил планёры «Рабфаковец» (АВФ-4) (1924), «Мастяжарт-2» (АВФ-5) (1924). Впоследствии содействовал созданию и участвовал в работе Высшей лётно-планёрной школы Осоавиахима в Коктебеле. А четвёртый планёр Сергея Владимировича «Москва» (АВФ-21) (1925) принял участие в Рёнских состязаниях планеристов в Германии в августе 1925 года (лётчик Константин Арцеулов), где получил первый приз за продолжительность полёта.

После окончания Академии и защиты дипломного проекта (посвящённого разработке самолёта-истребителя), приказом Реввоенсовета СССР № 750 за 1926 год С. В. Ильюшину было присвоено звание военного инженера-механика Воздушного Флота.

С июня 1926 по ноябрь 1931 года Сергей Владимирович работал председателем самолётной секции Научно-технического комитета ВВС, где занимался изучением мирового опыта самолётостроения, разработкой тактико-технических требований к новым самолётам. Под руководством Ильюшина были составлены технические требования к некоторым самолётам Николая Поликарпова (в том числе к У-2), Андрея Туполева, Дмитрия Григоровича. Также в 1930—1931 годах Сергей Владимирович работал помощником начальника Научно-испытательного института ВВС по научно-технической части.

Работа в Научно-техническом комитете и Научно-испытательном институте ВВС была интересной, однако Ильюшин стремился начать собственную конструкторскую деятельность. Летом 1931 года Сергей Владимирович пишет рапорт с просьбой о переводе в авиационную промышленность, предварительно обсудив этот вопрос с начальником Всесоюзного авиационного объединения Петром Барановым.

Рапорт Ильюшина был рассмотрен, и с ноября 1931 года по январь 1933 года Сергей Владимирович возглавлял конструкторское бюро ЦАГИ.

В конце 1932 года Ильюшин предложил разделить конструкторское бюро ЦАГИ на две самостоятельные структуры: ЦКБ авиазавода № 39 им. В. Р. Менжинского для строительства лёгких самолётов и конструкторский отдел ЦАГИ, занимающийся разработкой тяжёлых самолётов. Предложение Сергея Владимировича было поддержано начальником Глававиапрома Петром Барановым и наркомом тяжёлой промышленности Григорием Орджоникидзе.

Приказом Глававиапрома от 13 января 1933 года было организовано Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) авиазавода им. В. Р. Менжинского, начальником которого был назначен Ильюшин. Одновременно Сергей Владимирович руководил конструкторской бригадой № 3. В сентябре 1935 года бригада Ильюшина была преобразована в Опытное конструкторское бюро авиазавода им. В. Р. Менжинского, а Сергей Владимирович стал Главным конструктором ОКБ.

Первенцем Ильюшинского ОКБ стал экспериментальный бомбардировщик ЦКБ-26. 17 июля 1936 года Владимир Коккинаки установил на нём первый советский мировой авиационный рекорд (высоты подъёма груза), официально зарегистрированный Международной авиационной федерацией (ФАИ)[7].

21 апреля 1938 года во время служебного перелёта из Москвы в Воронеж у самолёта УТ-2, которым управлял Ильюшин, перегрелся и остановился мотор. На вынужденной посадке в темноте самолёт перевернулся. Ильюшин и его пассажир — конструктор Воронежского завода Иван Васильевич Жуков — получили травмы. Вскоре после этого случая вышел приказ, запрещавший главным конструкторам летать самостоятельно.

В ОКБ Ильюшина были созданы бомбардировщики ДБ-3 (Ил-4), осуществившие ряд налётов на Берлин в августе-сентябре 1941 года, а также «летающий танк» — штурмовик Ил-2, самый массовый самолёт СССР в Великой Отечественной войне. 

С 1943 года ОКБ Ильюшина приступило к разработке пассажирских самолётов. Серия гражданских Илов началась с Ил-12. За ним последовали Ил-14, Ил-18, Ил-62. Последним самолётом, разработанным под руководством Сергея Владимировича, стал Ил-62 — флагман Аэрофлота 1960-х — 1970-х годов.

Летом 1970 года С. В. Ильюшин в связи с болезнью сложил с себя обязанности руководителя ОКБ (приказ министра авиационной промышленности СССР П. В. Дементьева № 378/К от 28.07.1970 года[9]), однако он оставался членом Научно-технического совета и консультантом.

Преемником Сергея Владимировича стал Генрих Васильевич Новожилов.

Скончался Сергей Ильюшин 9 февраля 1977 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.