Народився 30 вересня 1977 р. у Києві. Син кінорежисера Юрія Іллєнка та актриси Людмили Єфименко. Має молодшого брата Андрія, який є нардепом 8 скликання від партії "Свобода".
У 1999 р. закінчив Інститут міжнародних відносин Київського університету ім. Т. Шевченка та здобув кваліфікацію магістра з міжнародного права, перекладач з англійської мови та кваліфікацію бакалавра за напрямом підготовки "Міжнародні відносини". Тема дипломної роботи "Міжнародно-правові інструменти охорони суміжних прав".
Професійно займався юриспруденцією. Першу роботу за спеціальністю почав у 1999-2000 рр. в департаменті міжнародного права Міністерства юстиції України. З серпня 2000 р. по листопад 2002 р. працював старшим науковим консультантом, а згодом і головним науковим консультантом відділу гуманітарних і міжнародних питань, гармонізації законодавства з країнами ЄС та захисту прав людини Головного науково-експертного управління Апарату Верховної Ради України.
З листопада 2002 р. по вересень 2004 р. обіймав посаду юрисконсульта, а згодом провідного юрисконсульта відділу правового забезпечення Дирекції правового забезпечення та договірної роботи Українсько-американсько-голландсько-німецького Закритого акціонерного товариства "Утел". З вересня 2004 р. по липень 2005 р. працював провідним юрисконсультом юридичного відділу Дочірнього підприємства "Утел" ВАТ "Укртелеком".
З березня 2006 р. по березень 2008 р. працював директором ТОВ "Юридична компанія "Іллєнко та Сизов". З квітня 2008 р. по липень 2014 р. був директором ТОВ "Іллєнко Фільм".
З 2007 р. є співпродюсером, а з 2009 р. - продюсером кіновідеофестивалю національного виробника "Відкрита ніч". Є продюсером художніх фільмів "Молитва за гетьмана Мазепу. Нова версія" (реж. Юрій Іллєнко, 2010) та "Толока" (2014, у виробництві, реж. Михайло Іллєнко).
З 2000 р. займається громадською діяльністю, є співзасновником та членом правління Громадської організації "Нарешті", яка займається організацією кінофестивалю "Відкрита ніч".
З 2010 р. депутат міської ради м. Українка Обухівського району Київської області.
З лютого 2012 р. по серпень 2014 р. - голова Громадської ради при Державному агентстві України з питань кіно. З 2013 р. є членом Громадської ради при Державній службі інтелектуальної власності.
Був кандидатом на виборах до Верховної Ради України 2012, № 122 у списку Всеукраїнського об'єднання "Свобода".
З 6 серпня 2014 р. - голова Державного агентства України з питань кіно.
Одружений, дружина Іллєнко Євгенія Олегівна. Має двох синів: Георгій (2008) та Святослав (2010).