Сергей Владимирович Ильюшин родился 30 марта 1894 года в деревне Дилялево. Будучи младшим из 11 детей в крестьянской семье, Ильюшин учился независимо, но, тем не менее, стал одним из самых выдающихся авиаконструкторов своего времени.

Ильюшин стал фабричным рабочим в 1910 году, а после этого его призвали в Русскую императорскую армию, где молодой человек вначале служил в пехоте, а после этого дослужился до должности писаря в управлении воинского руководителя. Пришел запрос на добровольцев, готовых служить в только что открытой сегменты армейской авиации, и Ильюшин неотлагательно вызвался. Вначале он работал механиком и членом наземного обслуживающего экипажа, но летом 1917 года сдал экзамен на права пилота.

По окончании войны Ильюшин возвратился в родную деревню, но в 1919 году, когда в России началась Штатская война, его призвали в Красную армию, где он служил авиамехаником. Летом того же года он возглавил бригаду, разобравшую захваченный биплан «Авро 504». Самолет отправили в Москву, где позже на его основе был сделан советский учебный биплан У-1.

Карьера Ильюшина началась в 1921 году, когда он ушел из армии и в 1922 году поступил в Университет инженеров Красного Воздушного Флота (позже переименованный в Академию Воздушного Флота имени Н. Е. Жуковского). Даже в студенческие годы он показывал незаурядные инженерные способности, проектируя планеры. Одна из его работ в 1925 году заняла первое место в Германии. Диплом Ильюшин получил в 1926 году. Тогда же он начал трудиться в конструкторском бюро ЦАГИ, где его коллегами были Николай Николаевич Поликарпов и Андрей Туполев.

В 1933 году Ильюшин возглавил ЦКБ московского авиазавода имени В. Р. Менжинского, в 1935 году переименованное в Ильюшинское ОКБ. Основными планами бюро в военные годы стали штурмовик Ил-2 и бомбардировщик Ил-4, которые обширно производились и применялись на протяжении каждой Великой отечественной войны. Также бюро разработало бесчисленные планы таких самолетов, как ДБ-2, БД-4, Ил-10, Ил-28, применявшихся в Красной армии.

В послевоенные годы Ильюшинское бюро сосредоточилось на проектировании штатских и транспортных самолетов, таких как Ил-38, Ил-76, Ил-78, и так дальше.

Ильюшину было присвоено почетное звание генерал-полковника инженерно-технической службы. В 1968 году он также стал академиком Академии наук СССР. Он оставался основным инженером Ильюшинского ОКБ до самого выхода на пенсионную выплату по болезни в 1970 году.

В 1937 - 1970 гг. Ильюшин также был депутатом Высокого совета СССР. Скончался Ильюшин в 1977 году в Москве, и захоронен на Новодевичьем кладбище.