В 1916 году С.В.Илюшин начал работать авиамехаником. С 1918 в Красной Армии, сначала авиамеханик, затем военком, а с 1921 начальник авиаремонтного поезда. В 1926 окончил Военно-воздушную инженерную академию им. Н.Е.Жуковского.

В 1931 организовал и возглавил КБ, деятельность которого связал с развитием трёх родов авиации - штурмовой, бомбардировочной и пассажирской. Ильюшиным создано большое количество типов самолётов. На первых боевых самолётах ЦКБ 26 (ЦКБ-ЗО, ЦКБ-ЗОФ) были установлены мировые рекорды высоты с различными грузами, а в 1938-39 совершены беспосадочные перелёты Москва - район Владивостока и Москва - остров Миску (Северная Америка).

Многоцелевой самолёт Ил-4 был основным дальним бомбардировщиком и торпедоносцем во время Великой Отечественной войны 1941-45.

В 1939 Ильюшин создал бронированный штурмовик Ил-2, положивший начало новому классу боевой авиации и породивший новую тактику её применения. Затем были созданы штурмовики Ил-8 (1943), Ил-10 (1943), Ил-16 и первый в истории авиации реактивный штурмовик Ил-40.

По линии развития бомбардировочной авиации после Ил-4 были построены Ил-6 (1943), экспериментальный реактивный Ил-22 (1946), первый отечественный реактивный бомбардировщик Ил-28 (1948), выпускавшийся серийно. Пассажирские самолёты Ил-12 и Ил-14 были выпущены в 1946 и 1951. Многоместный турбовинтовой Ил-18 (1957) стал основным пассажирским самолётом, а турбовентиляторный трансконтинентальный Ил-62 (1962) впоследствии стал флагманом Аэрофлота.

Ильюшин создал не только ряд пассажирских и военных самолётов, но и свою школу в самолётостроении. Депутат Верховного Совета 1-7-го созывов. Лауреат восьми Государственных премий СССР (1941, 1942, 1943, 1946, 1947, 1950, 1952, 1970) и Ленинской премии (1960). Награжден 8 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, 5 другими орденами, а также медалями.

Скончался 9 февраля 1977 года. Бронзовые бюсты Ильюшина установлены в Москве и Вологде. Имя Ильюшина носит Московский машиностроительный завод.