Сын писателя, лауреата Сталинской премии В. П. Ильенкова. Родился в Смоленске, вскоре семья Ильенковых переехала в Москву.
В 1941 году закончил московскую среднюю школу N 170. В сентябре 1941 года поступил на философский факультет ИФЛИ имени Чернышевского.
В августе 1942 года был призван в армию и направлен в Одесское артиллерийское училище имени Фрунзе в городе Сухой Лог Свердловской области. Во время войны командовал артиллерийским расчетом на Западном фронте, дошёл до Берлина.
В 1950 году окончил философский факультет МГУ и остался в аспирантуре на кафедре истории марксистско-ленинской философии. В 1953 Ильенков защитил кандидатскую диссертацию «Некоторые вопросы материалистической диалектики в работе К. Маркса „К критике политической экономии“», давшую начало целому направлению в марксистской философии (диалектическая логика).
Около двух лет затем Ильенков преподавал в МГУ, а в 1955 году вместе со своим другом В. И. Коровиковым был уволен из университета. Причиной послужили их совместные тезисы о предмете философии как науки. Молодые преподаватели утверждали, что философия — это наука о мышлении, о его законах и категориях. Реальный мир философия изучает лишь в той мере, в какой он разумно понят, то есть уже нашёл своё идеальное выражение в истории человеческой мысли. Философия осуществляет рефлексию мышления в самое себя, позволяя ему понять логику собственных действий. Однако тогдашний заведующий отделом науки и культуры ЦК КПСС А. Румянцев не понял это классическое (восходящее к Канту и Гегелю) понимание предмета философии. Кроме того, в ходе проверки выяснилось, что «У части студентов и аспирантов имеется стремление уйти от насущных практических задач в область „чистой науки“, „чистого мышления“, оторванного от практики, от политики нашей партии. Некоторые студенты признались, что давно не читают газет.» После проверки состояния дел на философском факультете МГУ комиссией ЦК КПСС взгляды Ильенкова были признаны как «извращение философии марксизма». Ильенкову пришлось перейти на работу в Институт философии АН СССР, где он и работал до конца своих дней.
Женился в начале пятидесятых на педагоге Ольге Салимовой.
С 1975 года до конца жизни Ильенков руководил научным семинаром на психфаке МГУ, по приглашению декана А.Н.Леонтьева.
21 марта 1979 года Ильенков, не выдержав затяжной депрессии, вызванной непониманием и критикой в официальных научных и партийных кругах, покончил жизнь самоубийством. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
В работе «Космология духа» Ильенков дал чёткий ответ на вопрос о смысле и цели существования во Вселенной разумных существ. Согласно гипотезе Ильенкова, матерью-природой им суждено противостоять энтропии во Вселенной и, жертвуя собой, осуществить возвращение умирающих миров к исходному, «огнеобразному» состоянию. Смерть мыслящего духа становится творческим актом рождения новой Вселенной и в ней — иных разумных существ.
Книга Ильенкова о методе восхождения от абстрактного к конкретному в теоретическом мышлении была закончена в середине 50-х. Как и «Космология духа», в полном объёме на русском языке книга увидела свет лишь много лет спустя после смерти автора. Урезанная более чем наполовину и с иным заглавием — «Диалектика абстрактного и конкретного в „Капитале“ К. Маркса», — она была напечатана в 1960 году, годом позже в полном объёме издана на итальянском, а затем и на многих других языках мира.
Суть развиваемого Ильенковым логического метода заключалась в том, как теоретическое мышление прослеживает процесс формирования предмета, начиная с простейшей, самой абстрактной формы его бытия и заканчивая наиболее развитыми и конкретными его формами. Энергию этому историческому процессу всегда сообщает особое противоречие, кроющееся в субстанции данного предмета. И всякая новая конкретная форма, принимаемая предметом, возникает в качестве средства разрешения этого противоречия, непосредственно в точке столкновения противоположных сторон, или «моментов» его субстанции. Истина есть не что иное, как разрешённое (не только в уме, но и в реальности — самой вещью в ходе её истории) противоречие, а диалектическая логика — это учение о методе конкретного разрешения реальных противоречий.
С конца 1950-х годов Ильенков принимал участие в проекте издания «Философской энциклопедии». Во время работы над вторым томом он курировал раздел диалектического материализма. В этом томе появились сразу семь его статей; в их числе была и знаменитая статья «Идеальное», которая вызвала оживлённую полемику, длящуюся уже без малого полвека. Категорию идеального — в разных её ипостасях: формы стоимости, личности и таланта, общественных идеалов и, конечно, в её собственно логической форме — Ильенков исследовал в течение всей своей жизни.
Термином «идеальное» у Ильенкова обозначается отношение между по меньшей мере двумя разными вещами, одна из которых адекватно представляет сущность другой в форме человеческой деятельности. Чтобы выражение сущности вещи было идеально чистым, материалом для него должно стать природное тело какой-либо другой вещи. Вещь как бы вручает свою «душу» другой вещи, и та делается её символом. Так, дипломат символически представляет свою страну, деньги представляют стоимость всех товаров, а слова — значение разных вещей в культуре. Идеальное есть представление в ином и через иное, притом это всегда адекватное представление, и представление именно сущности вещей, а не каких-либо внешних черт, и всегда через деятельность. Идеальное не скрывается в черепной коробке, доказывал Ильенков. Его телом является не только мозг, но и любая созданная человеком для человека вещь. Мозг отдельного человека генерирует нечто идеальное лишь тогда, когда он начинает обслуживать потребности «неорганического тела» человечества — культуры. Сознание и воля возникают тут как формы ориентации в вещественном мире культуры; так же, как простая чувственность (пространственные образы, звуки, запахи и вкусы) служит для ориентации живого существа во внешнем природном мире.
Итог своим исследованиям Ильенков подвёл в объёмистой рукописи «Диалектика идеального». Однако и эту рукопись автору не довелось увидеть напечатанной на родном языке (незадолго до смерти Ильенкова вышла сокращённая почти вдвое и «исправленная» редактором англоязычная версия работы).
Ильенков написал ряд работ, в которых обосновывал, что даже слепые и глухие от рождения могут со временем стать полноценными членами общества при надлежащем методе воспитания и обучения. Его (совместно с А. И. Мещеряковым) ученик, слепоглухой А. В. Суворов, сумел закончить психологический факультет МГУ и впоследствии защитить кандидатскую и докторскую диссертации.
С 1991 года его учениками проводятся ежегодные Ильенковские чтения.