После учёбы в Казанском университете был направлен на службу в посёлок Луганский (ныне город Луганск). В 1880-х годах Ильенко строит дом в Луганске, в Натальевский переулке, а затем покупает имение в селе Макаров Яр (ныне — село имени коммуниста Александра Яковлевича Пархоменко) в Краснодонском районе Луганщины в 40 км к востоку от Луганска. После большевистского переворота 1917 года Сергей Михайлович был вынужден уехать из Луганска. Последний год жизни он провел в Ростове-на-Дону, и в 1918 году, в возрасте 70 лет умер. Похоронен на городском кладбище Ростова.