С началом войны временно исполнял должность командира 175-й стрелковой дивизии в составе 37-й армии (Юго-Западный фронт). В конце июля 1941 года после возвращении командира дивизии Ильин был направлен в распоряжение Военного совета Северокавказского военного округа, где назначен на должность командира 15-го запасного кавалерийского полка, находясь на которой, занимался формированием запасных частей в Ставропольском гарнизоне. В августе того же года назначен на должность командира 56-й кавалерийской дивизии резерва Ставки Верховного Главнокомандования. В ноябре дивизия была включена в состав 37-й армии, после чего принимала участие в боевых действиях в ходе Ростовской наступательной операции, а также в освобождении Ростова-на-Дону. За успешное выполнение боевых задач Лев Дмитриевич Ильин был награждён орденом Красного Знамени.