Во время первой мировой войны пришлось Ильюшину надеть серую солдатскую шинель. По настойчивой просьбе его направили служить в авиацию и как раз на тот Комендантский аэродром, где он впервые увидел самолёты. Здесь Ильюшин сначала работал в авиаремонтных мастерских мотористом, а затем и механиком. Однако высокое небо неудержимо тянуло к себе. Вместе с небольшой группой таких же энтузиастов из аэродромной команды он стал изучать лётное дело и летом 1917 г. сдал в авиационной школе экзамены на пилота.

В 1917 г. Ильюшин вступил в ряды Красной Армии. Как опытного авиационного специалиста его вскоре назначили сначала механизм, а впоследствии начальником авиаремонтного поезда. Обслуживать авиационную технику приходилось в основном в районе Петрограда и в Карелии. Как-то летом 1919 г. под Петрозаводском был сбит белогвардейский самолёт английской конструкции Авро-504. Сергею Ильюшину было поручено разобрать трофейный самолёт на части и доставить его в Москву. Здесь с машины сняли чертежи.

Знакомство с английской машиной не прошло для Ильюшина бесследно. Появилась мысль, пусть тогда ещё не полностью осознанная, о возможности самому создать летательный аппарат. Однако он понимал, что для этого нужны специальные знания, а их-то и не было у крестьянского парня.

Ильюшин сразу же после Гражданской войны поступает в Институт инженеров Красного Воздушного Флота, вскоре преобразованный в Академию Воздушного Флота имени проф. Н. Е. Жуковского

Дни и ночи Ильюшин сидел за учебниками. Колоссальная воля и трудолюбие сделали своё — академию Ильюшин окончил успешно Ещё во время учёбы Сергей Владимирович увлёкся строительством планеров и создал удачные конструкции учебных планеров «Мастяжарт», «Рабфаковец», паритель «Москва». Планеры хорошо себя показали во время первых Всесоюзных соревнований.

В 1926 г., вскоре после окончания Военно-воздушной академии, Сергея Владимировича, проявившего большие конструкторские способности, назначают на высокий и ответственный пост — председателем секции самолётостроения Научно-технического комитета Военно-Воздушных Сил. Это значило, что молодой, тридцатилетний специалист должен был непосредственно отвечать за создание новых самолётов для советской военной авиации.

Именно в ту пору закладывались основы отечественной авиации: строились новые авиационные заводы, создавались совершенные боевые самолёты. К этому времени относится и появление туполевского двухмоторного бомбардировщика ТБ-1, а затем четырёхмоторного гиганта ТБ-3. В небо взлетали истребители, созданные Н. Н. Поликарповым, А. Н. Туполевым, Д. П. Григоровичем и другими. В каждой из этих боевых машин была заложена и частица труда Ильюшина.

Работа в научно-техническом комитете стала для него хорошей школой. Здесь Сергей Ильюшин познакомился с творчеством ведущих конструкторов, перенял от них самое лучшее.

Часто бывая на авиационных заводах, помогая наладить серийный выпуск машин, Ильюшин хорошо понял, как важно ещё в процессе проектирования не забывать о простоте технологии их изготовления.

На заседаниях комитета Сергею Ильюшину иногда приходилось мирить непримиримых: представителей Военно-Воздушных Сил, требовавших самолётов с высокой скоростью, «потолком» и большой дальностью полёта, с конструкторами, доказывавшими техническую невозможность выполнения всех этих требований. Генерал-лейтенант авиации Н. А. Соколов-Соколёнок, работавший одно время в комитете, вспоминал: «Точный инженерный расчёт Ильюшина служил холодным душем для «сверхзазнавшихся тактиков».

В 1931 г. Сергея Владимировича по его настоятельной просьбе перевели на работу в Центральное конструкторское бюро при заводе мени В. Р. Менжинского. В то время в нашей стране практически только два коллектива разрабатывали боевые самолёты — туполевский, специализировавшийся в основном на бомбардировщиках, и полиикарповский, проектировавший истребители и разведчики.

Первой работой Ильюшина-конструктора был скоростной двухмоторный цельнометаллический дальний бомбардировщик. В принципе, создать его можно было многими способами. Например, использовав экономичные двигатели. Однако этот вариант мало зависел от конструктора самолётов: выбирать приходилось из существующих двигателей. Увеличить дальность полёта можно было и за счёт улучшения аэродинамики. «Если выбор двигателя ограничен, — думал Сергей Владимирович, — то запас горючего зависит от конструктора!»

Поэтому с самого начала особое внимание было обращено на повышение запаса топлива. Не раз и не два прикидывал Ильюшин варианты размещения топливных баков на самолёте. Самым целесообразным во всех отношениях оказалось решение разместить горючее в крыльях. Здесь для облегчения массы машины решено было заливать топливо прямо в герметизированные отсеки части крыла. Для защиты баков от пуль и осколков между двумя слоями дюраля предусматривалось помещать слой специальной резины. При простреле бака резина набухала и закрывала отверстие.

Во время работы над этим самолётом Сергей Владимирович познакомился с молодым лётчиком-испытателем Владимиром Константиновичем Коккинаки. Это произошло в заводском цеху, у макета будущего бомбардировщика. Коккинаки влез в кабину макета, где всё было как в настоящем самолёте.

— Как обзор? — спросил конструктор. — Удобно ли размещены приборы?

Лётчик ответил не сразу. Усевшись и поставив ноги на педали, он взял штурвал на себя, потом отдал:

— Кажется, нормально. Вот только надо бы изменить...

Испытатель дал несколько конкретных рекомендаций. Некоторые из них были сразу приняты. Против других Ильюшин возразил. Так началось творческое содружество конструктора и лётчика-испытателя.

Дальний бомбардировщик, получивший наименование ЦКБ-26, был создан весной 1936 г. Испытывал его В. К. Коккинаки. Выяснилось, что самолёт прост в управлении, обладает значительной скоростью и большим радиусом действия. «Во время одного из авиационных праздников на Тушинском аэродроме В. К. Коккинаки совершил на ЦКБ-26 петлю Нестерова, а затем повторил её над Красной площадью. 1 Мая 1936 г. Раньше подобная фигура считалась невыполнимой тяжёлого двухмоторного самолёта. Это тоже говорило о высоких лётных качествах новой машины.

Уже в 1936 г. на самолёте ЦКБ-26 Коккинаки установил пять мировых рекордов по подъёму грузов на высоту. Последний рекорд (7 сентября 1936 г. подъём 2 т груза на высоту 11 105 м) был побит только спустя десять лет американцами на четырёхмоторной «летающей крепости» Б-29.

В августе того же года второй вариант ильюшинской машины ЦКБ-30 был принят на вооружение и в следующем году под наименованием ДБ-3 стал поступать в части советской бомбардировочной авиации. С двумя двигателями М-85 по 750 л. с. этот самолёт развивал скорость 400 км в час. При этом дальность полёта с нагрузкой в полтонны составляла 4000 км.

В августе 1937 г. лётчик В. К. Коккинаки на самолёте ДБ-3 установил мировой рекорд, пролетев 5000 км по маршруту Москва — Севастополь — Свердловск — Москва с грузом в 1 т со средней скоростью 325 км в час. После ряда успешных дальних полётов ДБ-3 у конструктора и лётчика-испытателя родилась дерзкая идея: «На такой машине можно смело совершить беспосадочный перелёт из Москвы в США!»

Однако сначала было решено слетать на таком самолёте не в США, а на Дальний Восток за сутки.

В июне 1938 г. В. К. Коккинаки вместе со штурманом А. М. Бряндинским на самолёте «Москва» совершает беспосадочный перелёт Москва — Дальний Восток, преодолев расстояние в 7600 км за 24 часа 36 минут.

В конце апреля 1939 г. лётчик В. К. Коккинаки и штурман М. X. Гордиенко на самолёте «Москва» осуществили беспосадочный перелёт из Москвы в Северную Америку через Атлантический океан.

Через 23 ч после старта самолёт приземлился на острове Мискоу, пройдя более 8000 км со средней скоростью 348 км в час.

Дальние и рекордные перелёты показали выдающиеся лётные качества ДБ-3. Однако в коллективе Ильюшина и после этого продолжали совершенствовать самолёт. Так, двигатели М-85 в 1937 году заменили на М-86 мощностью 950 л. с. При этом максимальная скорость повысилась с 400 до 430 км в час. В следующем году предприняли ещё одну существенную модернизацию бомбардировщика. Носовую часть его сделали более обтекаемой. Пулемёт стрелка заменили на крупнокалиберный. Поставили и новые двигатели М-87А, по мощности равные предыдущим, зато более высотные. Модифицированный самолёт был принят на вооружение и получил наименование ДБ-ЗФ, а с 1940 г. Ил-4 (по начальным буквам фамилии создателя самолёта).