Родился 25 июня 1961 г. в с. Новониколаевке Бейского района Красноярского края.
Получил средне-специальное образование по специальности "гидротехник". В 1989 г. окончил Хабаровский институт народного хозяйства (ныне Хабаровский государственный университет экономики и права), в 2000 г. – Дальневосточную академию государственной службы (ныне Дальневосточный институт управления Российской академии народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ). Получил специальности "экономист" и "юрист".
Кандидат экономических наук. В 2003 г. в Дальневосточной академии государственной службы защитил диссертацию на тему "Формирование инструментария государственной поддержки малых предприятий рыбной промышленности (на примере Камчатской области)".
В 1979 г. начал работать регулировщиком гидросистемы в совхозе "Ново-Енисейский" (Бейский район Красноярского края).
В 1980-1983 гг. служил в Вооруженных силах СССР. Был матросом на судне контрольно-измерительного комплекса "Чажма" Тихоокеанского флота.
В 1983-1988 гг. находился на комсомольской работе. С 1983 г. был инструктором отдела, начальником штаба комсомольской стройки Петропавловска-Камчатского городского комитета Всесоюзного ленинского коммунистического союза молодежи (ВЛКСМ), с 1986 г. – заведующим отделом рабочей и сельской молодежи Камчатского областного комитета ВЛКСМ.
С 1988 по 1991 г. – заведующий производственным отделом, затем заместитель директора по вопросам проектирования Регионального центра научно-технического творчества молодежи (Камчатская область; с 2007 г. – Камчатский край).
С 1991 г. являлся генеральным директором ЗАО "Мечта" в Петропавловске-Камчатском (управление проектами в области золотодобычи).
В 1994-1999 гг. был исполнительным директором Камчатского союза предпринимателей.
С 1999 по 2000 г. занимал должность директора государственного унитарного предприятия "Камчатский выставочный центр".
В 2000 г. руководил управлением промышленной политики, развития предпринимательства и инвестиций администрации Камчатской области.
С 2001 по 2011 г. работал в аппарате полномочного представителя президента РФ в Дальневосточном федеральном округе (ДФО). Представительство в эти годы последовательно возглавляли Константин Пуликовский, Камиль Исхаков, Олег Сафонов и Виктор Ишаев. Владимир Илюхин был федеральным инспектором управления по работе с органами власти субъектов и органами местного самоуправления. Занимал должность главного федерального инспектора по Чукотскому автономному округу, с 2002 г. – по Корякскому автономному округу (ныне – в составе Камчатского края), с 2007 г. – по Хабаровскому краю, с 2008 г. – по Республике Саха (Якутия), с 2009 г. – по Камчатскому краю.
25 февраля 2011 г. был назначен временно исполняющим обязанности губернатора Камчатского края вместо ушедшего в отставку главы региона Алексея Кузьмицкого.
3 марта 2011 г. Законодательное собрание Камчатского края утвердило кандидатуру Владимира Илюхина на пост губернатора по представлению президента РФ Дмитрия Медведева. В тот же день Владимир Илюхин официально вступил в должность.
4 декабря 2011 г. принимал участие в выборах депутатов Государственной думы РФ VI созыва. Баллотировался по общефедеральному округу в составе списка кандидатов партии "Единая Россия". Возглавлял региональную группу №24 от Камчатского края. После выборов Владимиру Илюхину был передан мандат президента РФ, председателя партии Дмитрия Медведева, который возглавлял партийный список, но после избрания отказался от места в Думе. В свою очередь Владимир Илюхин также отказался от депутатского мандата, в итоге освободившееся место получила Ирина Яровая (второй номер региональной группы №24).
13 мая 2015 г. президент РФ Владимир Путин принял досрочную отставку Владимира Илюхина с поста губернатора Камчатского края и назначил его временно исполняющим обязанности главы региона.
13 сентября 2015 г. Владимир Илюхин победил на выборах губернатора Камчатского края, получив 75,48% голосов избирателей (был выдвинут партией "Единая Россия"). Его ближайший соперник, кандидат от КПРФ Михаил Смагин, набрал 9,96%. 22 сентября того же года Владимир Илюхин официально вступил в должность. До 2019 г. одновременно возглавлял правительство Камчатского края.
3 апреля 2020 г. подал заявление об отставке с поста губернатора Камчатского края по собственному желанию "в связи с переходом на новую должность". В тот же день она была принята президентом РФ. Врио главы Камчатского края был назначен Владимир Солодов, который ранее возглавлял правительство Якутии.
Член Морской коллегии при правительстве РФ.
Входит в президиум политсовета регионального отделения партии "Единая Россия" в Камчатском крае.
Общая сумма декларированного дохода за 2015 г. составила 9 млн 548 тыс. руб., супруги - 267 тыс. 833 руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2016 г. составила 9 млн 401 тыс. руб, супруги – 225 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 9 млн 491 тыс. руб, супруги 361 тыс. 644 руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 8 млн 591 тыс. руб, супруги - 193 тыс. руб.
Действительный государственный советник РФ III класса (2003).
Награжден медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2007). Имеет благодарность президента РФ (2017).
Награжден также орденом Преподобного Серафима Саровского II степени (РПЦ), имеет почетное оружие МЧС России и Федеральной службы исполнения наказаний, ведомственные награды и медали.