Родился 18 (30) марта 1894[4][5] в деревне Дилялево (ныне Вологодский район, Вологодская область) в семье крестьянина-бедняка Владимира Ивановича Ильюшина и его жены Анны Васильевны. В семье Ильюшиных было девять детей, из них выжили и выросли семь (два мальчика умерли в младенчестве). Сергей был самым младшим.

После учебы и слыжбы в Армии решил связать свою судьбу с авиацией. Первенцем Ильюшинского ОКБ стал экспериментальный бомбардировщик ЦКБ-26.

В ОКБ Ильюшина были созданы бомбардировщики ДБ-3 (Ил-4), осуществившие ряд налётов на Берлин в августе-сентябре 1941 года, а также «летающий танк» — штурмовик Ил-2, самый массовый самолёт СССР в Великой Отечественной войне.

Ил-2 — Тяжелый двухместный штурмовик. Первый полёт в 1939 году. Серийное производство с 1941 по 1945 год. Ил-2 самый массовый военный самолёт за всю историю, всего было выпущено 36 183 самолёта различных модификаций. Серийно Ил-2 производился на 4 заводах, наибольшее количество был выпущено в Куйбышеве — 26 888 штук[19].

Ил-4 — Двухмоторный дальний бомбардировщик. Первый полёт в 1939 году. Модернизация самолёта ДБ-3. Экипаж четыре человека. Серийное производство с 1939 по 1945 год. Всего было изготовлено 5256 самолётов. Самолёт эксплуатировался с 1940 по 1952 год[20].

Ил-6 — Дальний бомбардировщик-торпедоносец. Первый полёт в 1943 году. Экипаж шесть человек. На самолёте были установлены дизельные двигатели. Серийно самолёт не запускался, так как окончательная отработка пришлась на конец войны. Ил-6 был изготовлен в единственном экземпляре[21].

Ил-8 — Тяжелый штурмовик. Первый полёт в 1943 году. Экипаж два человека. Самолёт должен был стать усовершенствованной версией Ил-2, однако несмотря на хорошие лётные качества самолёта ненадежная работа двигателя не позволила запустить самолёт в серийное производство. Было изготовлено два экземпляра[22].

Ил-10 — Тяжелый штурмовик. Первый полёт в 1944 году. Серийное производство с 1944 по 1955 год. Ил-10 эксплуатировался с 1945 по 1962 год. Всего было изготовлено 6166 самолётов. В СССР Ил-10 начали списывать с 1956 года, после упразднения штурмовой авиации[23].