Участник боёв с японскими милитаристами на реке Халхин-Гол (Монголия) с 11 мая по 16 сентября 1939 года. Возвратившись на родину, Н. П. Ильченко участвует в советско-финской войне 1939—1940 годов. В октябре 1941 году он окончил Военную академию механизации и моторизации РККА.