С началом войны дивизия в составе 12-й армии Юго-Западного фронта участвовала в приграничном сражении западнее города Станислав, с боями отходила на винницком направлении. С 26 по 31 июля она входила в 6-ю армию Юго-Западного фронта, затем вновь была подчинена 12-й армии Южного фронта и участвовала в Киевской и Уманской оборонительных операциях. 15 августа подполковник Ильин попал с полком в окружение в районе м. Подвысокое Кировоградской области, затем, переодевшись в гражданскую одежду, с группой пробивался на юго-восток. 5 сентября в районе Каховки попал в плен и находился сначала в лагере под Херсоном, с 19 сентября переправлен в город Николаев, а оттуда направлен на Варваровку. В пути 24 сентября бежал и 15 октября в районе ст. Рой Сталинской области перешёл линию фронта на участке 383-й стрелковой дивизии. После выхода в расположение советских войск до апреля 1942 года проходил проверку в особом отделе Южного фронта, затем был назначен командиром 256-го стрелкового полка 30-й Иркутской стрелковой ордена Ленина дважды Краснознамённой дивизии им. Верховного Совета РСФСР. В составе 56-й армии участвовал в боях под Ростовом, Батайском, Краснодаром и в обороне Кавказа. В сентябре — ноябре полковник Ильин состоял в резерве 56-й армии, затем был назначен начальником отдела боевой подготовки штаба армии. В этой должности принимал участие в Северо-Кавказской и Краснодарской наступательных операциях.