Служил в составе 11 авиаэскадрильи погранвойск НКВД.

Из 9 запасного авиаполка был направлен в состав 215 отдельной разведывательной авиационной эскадрильи особого назначения (сформирована в сентябре 1941г., командир капитан Берман Семен Давидович, комиссар- старший политрук Артемьев Борис Павлович.

26 апреля 1942г. эскадрилья обращена на формирование 4 дальнего разведывательного авиационного полка (командир- майор Берман Семен Давидович, военком- батальонный комиссар Артемьев Борис Павлович). На вооружении полк имел самолеты Пе-2, Пе-3, впоследствии,  американские самолеты «Аэрокобра».

Дмитрий Иванович техник авиационный звена 3 авиаэскадрильи полка. Эскадрилья имела на вооружении самолеты «Аэрокобра».

Освоив материальную часть самолета, передавал свой опыт техническому составу звена.

К маю 1943г. лично подготовил самолеты к 25 боевым вылетам и к 60 вылетам, как техник звена. Принимал участие в восстановлении в полевых условия 4 самолетов.

Приказом от 08 мая 1943г. техник-лейтенант Ильин был награжден медалью «За боевые заслуги».

В январе 1943г. командование полком принял подполковник Артемьев Борис Павлович.

В июне 1943г. полк был преобразован в 98 отдельный гвардейский разведывательный авиаполк. 

К концу августа 1944г. под руководством Дмитрия Ивановича самолеты звена были подготовлены к 950 боевым вылетам, восстановлено 12 самолетов. 05 июля 1944г. в воздушном бою был поврежден самолет «Аэрокобра». Требовался заводской ремонт. Силами техсостава звена самолет был отремонтирован в полевых условиях.

Приказом от 05 октября 1944г. гвардии техник-лейтенант Ильин был награжден орденом Красной Звезды.

05 октября 1944г. командиром полка был назначен гвардии подполковник Звонцов Федор Федорович.

За долголетнюю и безупречную службу в ноябре 1944г. Дмитрий Иванович был награжден медалью «За боевые заслуги».

За годы войны лично подготовил самолеты к 115 боевым вылетом, переоборудовал для ведения разведки 15 самолетов «Аэрокобра» и Яу-9, под его руководством самолеты подготовлены к 1250 боевым вылетам, произведена замена 32 авиамоторов, восстановлено 19 самолетов. 

Приказом от 09 июня 1945г. гвардии техник-лейтенант Ильин был награжден орденом Красной Звезды.

Награжден медалями «За взятие Берлина», «За освобождение Праги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».

За долголетнюю и безупречную службу в 1950г. был награжден третьи орденом Красной Звезды, в 1954г.- орденом Красного Знамени.

Гвардии капитан технической службы Ильин вышел в отставку 09 августа 1960г.