Родился 15 апреля 1983 г. в гор. Калинин (ныне Тверь).
В 2008 г. окончил Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма (ныне Российский университет спорта - ГЦОЛИФК, Москва).
Илья Ковальчук начал заниматься хоккеем в 1988 г. в родном городе в секции при ледовом дворце спорта "Юбилейный". Его первым тренером был Виктор Жуков.
В 1993 г. продолжил занятия в хоккейной школе московского "Динамо". С 1994 г. тренировался в хоккейной школе столичного "Спартака", где его наставником был Юрий Борисов.
В 1999 г. Илья Ковальчук дебютировал в основном составе "Спартака". По итогам сезона 2000/2001 гг. вместе с клубом стал чемпионом Высшей лиги (на тот момент - второй по силе дивизион в системе хоккейных лиг страны); этот результат позволил "Спартаку" выйти в Суперлигу (высший дивизион).
В 2001 г. Илья Ковальчук был выбран командой Национальной хоккейной лиги (НХЛ; объединяет ведущие хоккейные клубы Канады и США) "Атланта" под общим первым номером на драфте - ежегодном мероприятии, заключающемся в передаче прав на молодых хоккеистов, соответствующих определенным критериям отбора, клубам лиги.
В 2001-2004 и 2005-2010 гг. выступал за "Атланту". В 2004 г. стал обладателем "Морис Ришар трофи" - награды, ежегодно вручаемой лучшему снайперу регулярного чемпионата НХЛ.
Сезон Национальной хоккейной лиги 2004/2005 гг. не был проведен из-за локаута. В этот период Ковальчук играл в России за "Ак Барс" (Казань; 2004-2005) и "Химик" (Московская область; 2005).
В 2010-2013 гг. представлял клуб НХЛ "Нью-Джерси" (первую половину сезона 2012/2013 гг. в связи с локаутом в североамериканской лиге выступал за санкт-петербургский СКА).
Летом 2013 г. Илья Ковальчук подписал контракт с СКА, был игроком клуба по апрель 2018 г. В течение этого периода в составе СКА дважды завоевал Кубок Гагарина (2015, 2017) - главный трофей Континентальной хоккейной лиги.
В 2018-2020 гг. вновь выступал в НХЛ: представлял клубы "Лос-Анджелес" (2018-2019), "Монреаль" (2020) и "Вашингтон" (2020).
В 2020-2021 гг. Илья Ковальчук был игроком омского "Авангарда". В 2021 г. в его составе стал обладателем Кубка Гагарина.
В 2000 г. Илья Ковальчук вместе со сборной России завоевал серебро, а в 2001 г. - золото юниорского чемпионата мира (турниры проходили в Швейцарии и Финляндии соответственно).
В 2002 г. в Солт-Лейк-Сити (шт. Юта, США) стал бронзовым медалистом хоккейного турнира в рамках XIX зимних Олимпийских игр.
В 2005, 2007 и 2019 гг. в составе сборной России завоевывал бронзу чемпионата мира (турниры принимали Австрия, Россия и Словакия соответственно).
В 2008 г. Илья Ковальчук вместе со сборной России стал чемпионом мира. В финале турнира, проходившего в Канаде, россияне обыграли в овертайме хозяев со счетом 5:4. Ковальчук стал автором двух шайб, в том числе победной. В 2009 г. в Швейцарии вместе со сборной России он вновь выиграл мировое первенство.
В 2010 и 2015 гг. становился серебряным медалистом чемпионата мира (турниры проходили в Германии и Чехии соответственно).
В 2018 г. в Пхёнчхане (Республика Корея) завоевал золото XXIII зимней Олимпиады. В финале хоккейного турнира россияне (выступали на Играх в статусе "олимпийских атлетов из России") в овертайме обыграли немцев со счетом 4:3.
В 2022 г. Илья Ковальчук был генеральным менеджером российской хоккейной команды на XXIV зимней Олимпиаде в Пекине (Китай).
В декабре 2023 г. в качестве игрока подписал контракт с московским "Спартаком". Он рассчитан до конца сезона 2023/2024 гг.
Заслуженный мастер спорта РФ (2002).
Илья Ковальчук награжден орденом Дружбы (2018), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2009).
Почетный гражданин Твери (2009).