Родился 6 августа 1975 г. в Москве (признан иноагентом, внесен в реестр экстремистов и террористов). Отец - Владимир Николаевич - профессор, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, бывший заместитель председателя Госстроя России, вице-президент Ассоциации строителей России. Мать - Лариса Николаевна - до 2013 г. была членом Совета Федерации РФ от правительства Чукотского автономного округа, первым заместителем председателя сенатского комитета по социальной политике.
В 1992 г. Илья Пономарев поступил на физический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, но не окончил его. В 2011 г. получил диплом Российского государственного социального университета по специальности "государственное и муниципальное управление".
В 1989 г. в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) АН СССР, где работал его отец, организовал группу обучения сотрудников компьютерным технологиям, а также занимался поддержкой компьютерных систем.
В 1991 г. основал и возглавил акционерное общество закрытого типа "Русспрофи Лтд." (программирование, поставки и обслуживание персональных компьютеров). После слияния в 1995 г. "Русспрофи" с российско-американской компанией "International Networks Connections" (INC), занял пост коммерческого, а затем исполнительного директора. INC занималась внедрением распределенных компьютерных сетей в крупных фирмах и организациях, в частности, сотрудничала с нефтяной компанией (НК) "Юкос".
С ноября 1996 г. работал директором по развитию и маркетингу в СНГ в международной корпорации Schlumberger/GeoQuest ("Шлюмберже ГеоКвест"), которая занимается разработкой и внедрением программного обеспечения, услуг управления и пр. для нефтяной и газовой промышленности.
В 1998 г. перешел в "Юкос". В качестве вице-президента ЗАО "Юкос ЭП" (разведка, добыча нефти) курировал информационные технологии. Также работал заместителем директора дирекции управления проектами.
В 1999 г. стал одним из учредителей дочерней структуры НК "Юкос" - Сибирской интернет-компании ("Сибинтек").
В 2000 г. возглавил венчурный фонд и управляющую компанию по инвестициям в сферу высоких технологий ARRAVA IMC ("Аррава Имк"). Компания занималась, в частности, развитием системы интерактивного телевидения, оказанием консалтинговых услуг. Среди ее продуктов - разработка концепции информационного обеспечения реформы РАО ЕЭС, а также федеральной целевой программы "Электронная Россия".
В 2001 г. продал ARRAVA IMC и вошел в состав правления компании IBS ("Информационные Бизнес-системы"; "Ай-би-эс") в качестве вице-президента. Возглавил направление стратегических проектов и связей с государственными органами. Курировал реализацию проектов в рамках ФЦП "Электронная Россия", а также развитие региональной сети IBS в РФ.
Одновременно занимался реализацией консалтинговых и исследовательских проектов в сфере государственного управления и макроэкономики в рамках Института проблем глобализации (ИПРОГ) Михаила Делягина. Возглавлял Центр новой политики ИПРОГ, был заместителем директора института по развитию.
В эти же годы Илья Пономарев руководил информационно-технологическим центром центрального комитета КПРФ. В 2003 г. создал интернет-портал КПРФ.ру.
В 2006 г. стал одним из авторов проекта московского правительства "Гражданская смена" (поддержка инноваций в столичных вузах).
С 2006 по 2011 г. - советник заместителя министра РФ по связи и информатизации Дмитрия Милованцева. Координировал работу над программой развития технопарков в сфере высоких технологий в российских регионах.
В сентябре 2007 г. вступил в политическую партию "Справедливая Россия", стал членом центрального совета партии.
2 декабря 2007 г. был избран в Государственную думу РФ V созыва по федеральному списку партии "Справедливая Россия" от Новосибирской области. Вошел в состав одноименной фракции, был членом думского комитета по информационной политике, технологиям и связи, возглавлял подкомитет по технологическому развитию.
В июне 2010 г. назначен советником президента Фонда "Сколково" Виктора Вексельберга по международному развитию и коммерциализации технологий.
4 декабря 2011 г. вновь избран депутатом Государственной думы РФ VI созыва. Вошел в состав фракции "Справедливая Россия", комитета Госдумы по экономической политике, инновационному развитию и предпринимательству.
В декабре 2011 г. стал одним из организаторов акций протеста в Москве, прошедших после проведения думских выборов. В 2012 г. выступил инициатором создания Гражданского движения - координационного центра протестных сил, а также Координационного совета оппозиции. 21 июня 2012 г. комиссия Госдумы по вопросам депутатской этики предложила Илье Пономареву и другим членам фракции "Справедливая Россия" - Геннадию и Дмитрию Гудковым (оба признаны иноагентами, Геннадий Гудков внесен в список террористов и экстремистов) - "подумать о том, чтобы добровольно сдать депутатские мандаты" в случае, если они продолжат свое участие в несанкционированных уличных митингах.
Один из основателей "Левого фронта" (леворадикальная организация, объединяющая представителей социалистического движения в РФ и странах бывшего СССР; образована в 2008 г.).
Член оргкомитета Российского социального форума, объединяющего протестные и социальные движения. Один из координаторов участия российских представителей в европейских и всемирных социальных форумах.
Один из учредителей Фонда поддержки независимых СМИ.
В 2012 г. вместе с предпринимателем Аленой Поповой (в 2022 г. признана в РФ иноагентом) основал Фонд открытых проектов, целью которого было заявлено поддержка гражданских инициатив, направленных на развитие гражданского общества в России.
28 сентября 2012 г. Госдума приняла решение лишить Илью Пономарева слова на месяц за то, что он с парламентской трибуны назвал "жуликами и ворами" своих коллег по депутатскому корпусу.
14 марта 2013 г. Илья Пономарев приостановил свое членство в "Справедливой России" в знак протеста против исключения из партии Геннадия и Дмитрия Гудковых. 1 ноября того же года он официально вышел из партии, формально оставшись членом думской фракции.
В 2014 г. баллотировался в мэры Новосибирска от партии "Альянс зеленых и социал-демократов", однако 30 марта снял свою кандидатуру в пользу единого кандидата от оппозиции, депутата Госдумы от КПРФ Анатолия Локотя.
20 марта 2014 г. Илья Пономарев был единственным, кто голосовал против ратификации Госдумой договора о принятии в состав РФ Крыма и Севастополя. Свою позицию он объяснил тем, что считает принятие Крыма в РФ "большой политической ошибкой". 30 апреля лидер "Справедливой России" Сергей Миронов потребовал от Пономарева сдать мандат, но тот отказался.
В июле 2014 г. Илья Пономарев покинул территорию России. Жил в США, позднее уехал на Украину.
7 апреля 2015 г. Госдума VI созыва лишила Илью Пономарева депутатской неприкосновенности по запросу Генпрокуратуры РФ. 9 июня представитель Следственного комитета (СК) РФ Владимир Маркин сообщил, что депутат подозревается в пособничестве в растрате 22 млн руб. из средств фонда "Сколково". Дело о растрате было возбуждено в апреле 2013 г. в отношении старшего вице-президента фонда Алексея Бельтюкова.
9 июня 2015 г. представитель СК РФ Владимир Маркин сообщил, что главой Следственного комитета возбуждено уголовное дело в отношении Ильи Пономарева о пособничестве в растрате 22 млн руб. из средств фонда "Сколково" (ч. 5 ст. 33 и ч. 4 ст. 160 УК РФ). В июле 2015 г. Илья Пономарев был объявлен в международный розыск. 17 июля Басманный суд Москвы удовлетворил ходатайство следствия о его заочном аресте. 16 октября того же года Госдума дала согласие Генпрокурору РФ на применение к Илье Пономареву избранной судом меры пресечения в виде заключения по стражу.
10 июня 2016 г. Государственная дума лишила Пономарева депутатских полномочий. Решение было принято на основании поправок в закон о статусе депутатов от 3 мая 2016 г., предусматривающих отзыв мандата за неисполнение парламентарием своих обязанностей в течение 30 и более дней (прогулы пленарных заседаний, утрата связи с избирателями). Пономарев стал первым депутатом, лишенным полномочий согласно данной норме закона. Он попытался опротестовать решение Госдумы, однако 9 марта 2017 г. Апелляционная коллегия Верховного суда отклонила иск экс-депутата.
В июне 2016 г. он получил вид на жительство на Украине. 17 мая 2019 г. президент Украины Петр Порошенко предоставил Пономареву гражданство страны.
30 августа 2022 г. Коптевский суд Москвы заочно арестовал Илью Пономарева по делу о распространении заведомо ложной информации об использовании Вооруженных сил РФ (ст. 207.3 УК РФ). Причиной возбуждения уголовного дела стали высказывания экс-депутата в видеороликах на YouTube-канале. Об этом сообщается в постановлении суда. В документе уточняется, что Пономарев распространил сведения о якобы уничтожении ВС РФ мирных жителей и священнослужителя, создании помех в работе гуманитарного коридора, а также о ракетной бомбардировке Запорожской АЭС. Бывший депутат объявлен в розыск.
21 октября 2022 г. стало известно, что Минюст РФ включил Илью Пономарева в реестр физических лиц - иностранных агентов.
29 декабря 2022 г. Следственный комитет России возбудил уголовное дело в отношении экс-депутата Госдумы о распространении фейков об использовании ВС РФ. Дело открыто по ст. 207.3 УК РФ (публичное распространение заведомо ложной информации об использовании ВС РФ). В рамках него правоохранители провели серию обысков, в том числе у участников т. н. Съезда народных депутатов, который проходил с 4 по 7 ноября в Польше и принял ряд заявлений и актов против российского руководства. Организатором мероприятия выступил Пономарев. Ранее он заявлял о поддержке так называемой Национальной республиканской армии и запрещенной в РФ террористической организации "Легион "Свобода России". Первая структура занимается диверсиями на российской территории, вторая ведет боевые действия против российской армии на Украине.
25 января 2023 г. Росфинмониторинг внес Илью Пономарева в реестр экстремистов и террористов.
28 апреля 2023 г. Генпрокуратура России признала нежелательной деятельность неправительственной организации "Съезд народных депутатов" (Kongres Deputowanych Ludowych), созданной в 2022 г. в Польше. Ее возглавляют Илья Пономарев, Марк Фейгин (в 2022 г. признан в РФ иноагентом) и Геннадий Гудков. По данным Генпрокуратуры РФ, деятельность данной организации представляет угрозу основам конституционного строя и безопасности РФ, "ее целями являются насильственный захват власти в России, а также исполнение функций органов законодательной, судебной и исполнительной ветвей власти в Российской Федерации".
8 сентября 2023 г. стало известно, что в отношении Пономарева следственным управлением по Северному административному округу столичного ГСУ СК возбуждено уголовное дело по ст. 284.1 УК РФ (организация деятельности нежелательной организации).
29 ноября 2023 г. Гагаринский суд Москвы оштрафовал бывшего депутата на 30 тыс. рублей за нарушение правил деятельности иноагента.
4 февраля 2024 г. ФСБ России возбудила уголовное дело в отношении Ильи Пономарева. В одно производство объединены уголовные дела по ст. 275 (государственная измена в форме перехода на сторону противника), ч. 2 ст. 205.5 (участие в деятельности организации, которая в соответствии с законодательством Российской Федерации признана террористической), ч. 2 ст. 205.2 (публичные призывы с использованием информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" к осуществлению террористической деятельности), п. "в" ч. 2 ст. 280.4 (публичные призывы с использованием информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" к осуществлению деятельности, направленной против безопасности Российской Федерации) УК РФ. Следственные действия и оперативно-разыскные мероприятия в отношении Пономарева и его пособников на территории РФ продолжаются.
Кроме того, по данным ФСБ, бывший депутат участвует в деятельности украинского военизированного объединения "Легион "Свобода России", признанного Верховным судом РФ террористической организацией.
Женат. Имеет сына Николая (род. 1995) и дочь Анастасию (род. 2000).