Родился 15 октября 1897 г. в Одессе (Херсонская губерния Российской империи, ныне Украина) в семье банковского служащего.
В 1913 г. окончил одесское еврейское ремесленное училище "Труд". Работал в чертежном бюро, на телефонной станции, на заводе аэропланов, на фабрике ручных гранат. В этот же период под женским псевдонимом публиковал стихи в журнале "Синдетикон" (его экземпляры не сохранились).
Во время Гражданской войны, летом 1919 г., в составе красноармейского караульного полка, сформированного из негодных к строевой службе призывников, принимал участие в боях с частями Вооруженных сил Юга России (главнокомандующий - генерал-лейтенант Антон Деникин).
В 1920-1921 гг. работал заведующим складом и бухгалтером в Опродкомгубе - организации, снабжавшей Красную армию продовольствием и занимавшейся формированием продотрядов.
С начала 1920-х гг. пробовал себя в журналистике, сотрудничал с газетой "Моряк". Тогда же в ней работали молодые писатели Валентин Катаев, Исаак Бабель, Юрий Олеша и Константин Паустовский. Вместе с Катаевым и Олешей принимал участие во встречах литературного кружка "Коллектив поэтов".
В 1923 г. переехал в Москву, где начал работать в газете "Гудок". Был литературным обработчиком и корреспондентом, затем стал сочинять сатирические заметки и фельетоны. Тогда же начал подписывать свои тексты псевдонимом Ильф. Кроме того, публиковал фельетоны в журнале "Красный перец", рецензии на фильмы - в газетах "Вечерняя Москва" и "Кино". В 1925 г., вернувшись из командировки в Среднюю Азию, опубликовал в "Гудке" ряд очерков о своей поездке.
В том же году (по другим данным, в 1923 г.) Илья Ильф познакомился в Москве с журналистом и литератором Евгением Петровым (настоящая фамилия Катаев; 1902-1942), который также переехал в столицу из Одессы. С 1926 г. они вместе работали в "Гудке".
В 1927 г. началось совместное литературное творчество Ильфа и Петрова. В 1928 г. было опубликовано их первое произведение - сатирический роман "Двенадцать стульев". Он открывался посвящением брату Евгения Петрова - Валентину Катаеву, которому принадлежала первоначальная идея этой книги. Основная сюжетная линия произведения была связана с приключениями авантюриста Остапа Бендера, которые разворачивались на фоне НЭПа в 1920-х гг.
В 1928 г. на страницах журнала "Огонек" соавторы опубликовали сатирическую повесть "Светлая личность".
В 1928-1929 гг. в журнале "Чудак" вышли циклы новелл "Необыкновенные истории из жизни города Колоколамска" и "Тысяча и один день, или Новая Шахерезада".
В 1931 г. был опубликован роман "Золотой теленок" - второе произведение о приключениях Остапа Бендера. Эта книга, наряду с предыдущим романом "Двенадцать стульев", стала классикой советской литературы.
С 1932 г. Ильф и Петров работали в отделе фельетонов газеты "Правда". В конце 1935 г. в качестве корреспондентов этого издания они посетили США, где в течение двух месяцев пересекли на автомобиле всю страну с востока на запад и обратно. В 1936 г. были опубликованы их путевые очерки, получившие название "Одноэтажная Америка". В том же году в СССР на экраны вышла музыкальная комедия Григория Александрова "Цирк". Она была основана на сценарии по пьесе Ильфа и Петрова "Под куполом цирка", однако из-за несогласия с режиссерской трактовкой ряда эпизодов литераторы убрали свои имена из титров фильма.
Кроме литературы Илья Ильф в 1930-е гг. увлекался фотографией. На его снимках запечатлены современники-писатели, архитектурные сооружения, городские пейзажи и др.
Илья Ильф скончался 13 апреля 1937 г. в Москве на 40-м году жизни от туберкулеза. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
Был женат на художнице Марии Тарасенко (1904-1981). Дочь, Александра Ильф (1935-2013), была филологом и переводчицей, занималась сохранением творческого наследия отца.
Произведения Ильи Ильфа и Евгения Петрова переведены на десятки иностранных языков. Также они неоднократно инсценировались и экранизировались - как в СССР и России, так и за рубежом.
В 1939 г., спустя два года после смерти Ильфа, были изданы его "Записные книжки" - сборник заметок и наблюдений 1925-1937 гг. Содействие в их подготовке к печати и публикации оказывал Евгений Петров.
В честь Ильфа и Петрова назван астероид главного пояса 3668 Ilfpetrov. В культурно-историческом комплексе "Двор кириллицы" (г. Плиска, Болгария) установлен единый бюст соавторов.