Отец архитектора — Евграф Львович — уфимский мещанин, лавочник, выбившийся в купцы второй гильдии и сумевший обеспечить сыну образование в классической уфимской гимназии. В 1887—1891 годах Илья Бондаренко обучался в МУЖВЗ по классу архитектуры А. С. Каминского. Продолжил образование в Цюрихе и в московской фирме Ф. О. Шехтеля (1895—1896). Много путешествовал по России, изучая народную архитектуру Севера и Поволжья. В 1897—1898 годах по проекту Бондаренко было перестроено здание театра Солодовникова.
Во второй половине 1890-х гг. вошел в круг мамонтовской колонии в Абрамцеве, что помогло ему выиграть первый публичный заказ — павильон русских народных ремесел на Всемирной выставке 1900 года в Париже, совместно с К. А. Коровиным. Впоследствии абрамцевская майолика станет излюбленным материалом Бондаренко. Камерные работы Бондаренко имели успех на выставке модерна, организованной И. А. Фоминым в 1902. В те же годы строит школу и магазин (нынешний ЦУМ) в Иванове.
17 (30) апреля 1905 года царское правительство отменяет запрет на строительство старообрядческих храмов. За день до выхода указа «Об укреплении начал веротерпимости» император Николай II разрешил распечатать алтари старообрядческих храмов Рогожского кладбища, ранее закрытых для верующих. Старообрядческие общины ответили массовыми ходатайствами о разрешении на постройку новых храмов.
Бондаренко строит первую старообрядческую церковь в московском Токмаковом переулке в 1907 по заказу Второй Московской общины Поморского брачного согласия. За этим последовала череда заказов от различных общин староверов:
В Шуе Бондаренко строит собор для официальной православной церкви; в Иванове — перестраивает православную Крестовоздвиженскую церковь.
Мастер северного модерна, Бондаренко — знаток московского ампира, популяризатор и защитник наследия классицизма, участник юбилейных выставок в память войны 1812 года. Бондаренко — автор трудов по истории творчества М. Ф. Казакова, Доменико Жилярди, А. Г. Григорьева.
Несмотря на связь с церковью, Бондаренко нашел место в советской иерархии, начиная с момента переезда Совнаркома в Москву. В 1919 он возвращается в Уфу, организует первый уфимский театр и первый музей (ныне Башкирский государственный художественный музей имени М. В. Нестерова; Бондаренко и Нестеров были старыми друзьями).
С 1921 вновь в Москве. Участвовал в постройках Сельскохозяйственной выставки 1923, консультировал различные органы в Москве и Ленинграде.
В 1926, с началом подъёма строительства, Бондаренко вновь востребован как практический архитектор. Работает главным архитектором Исторического музея в Москве, затем, до 1939 — архитектор в структурах Моссовета и Мосэнерго. Его работы в архитектуре советского периода связаны с расширением и перестройкой исторических зданий:
В годы Великой отечественной войны семидесятитрехлетний Бондаренко работает архитектором Ваганьковского кладбища, после освобождения Твери — участвует в восстановлении казаковского Путевого дворца.