На Олимпиаде-1956 в Мельбурне, где сборная СССР завоевала золотые медали, Ильин забил победный гол в финальном матче в ворота Югославии.
За сборную СССР нападающий провел 31 матч, в которых забил 16 мячей. В составе "Спартака" Ильин 5 раз выигрывал чемпионат СССР.
