Ильенко родился в 1936 году в Черкассах. В 1960 году снял дипломную работу "Прощайте, голуби" и получил за нее награды на мировых кинофестивалях в Праге и Локарно за лучшую операторскую работу. В 1963 получил приглашение студии Довженко снять режиссеру Сергею Параджанову фильм "Тени забытых предков". Дебют в режиссуре — "Колодец для жаждущих" по сценарию Ивана Драча об уничтожении украинского села, фильм был запрещен постановлением ЦК Компартии Украины на 22 года.
Среди других известных картин Ильенко – "Вечер накануне Ивана Купала", "Белая птица с черной отметиной" (1971, первая премия Московского МКФ, премия МКФ в Сорренто), "Мечтать и жить (1974, по сценарию Ивана Миколайчука), "Лесная песня. Мавка" (1981, по Лесе Украинке), "Лебединое озеро. Зона" (1990, по сценарию Параджанова, премия ФИПРЕССИ на Каннском МКФ), "Молитва о гетмане Мазепе" (2002).
Лауреат государственной премии им. Т.Шевченко, народный артист Украины, академик Академии искусств Украины, почетный доктор Международной кадровой академии.