Родился 23 марта 1920 года в городе Серпухове Московской области в семье рабочего. Русский. Член ВКП (б) с 1943 года. В родном городе окончил текстильный техникум и аэроклуб.

В Красной Армии с 1939 года. В 1942 году окончил Энгельсскую военную авиационную школу пилотов.

В Великую Отечественную войну находился в действующей армии с июля 1943 года. Участвовал в боях под Курском, Белгородом, Харьковом, Киевом, громил врага в Румынии, Югославии, Венгрии и Австрии.

Гвардии лейтенант Дементьев Е. И. к январю 1945 года совершил 136 боевых вылетов на бомбардировку живой силы и техники противника, поддержку боевых действий своих войск.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 29 июня 1945 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные мужество и героизм в боях с немецко-фашистскими захватчиками гвардии лейтенанту Дементьеву Евгению Ильичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая звезда».

По окончании войны отважный летчик-штурмовик продолжил службу в рядах Вооруженных Сил СССР. В 1952 году он окончил Военно-воздушную академию. Далее работал старшим преподавателем Военно-воздушной инженерной академии имени Н. Е. Жуковского. С 1982 года генерал-майор авиации Дементьев Е. И. – в запасе, а затем – в отставке. Жил в городе-герое Москве, трудился в Доме авиации и космонавтики старшим научным сотрудником. Скончался 13 июля 1999 года. Похоронен в Москве на Троекуровском кладбище.

Награжден орденом Ленина, 2 орденами Красного Знамени, 2 орденами Отечественной войны 1-й и 2-й степени, Красной Звезды, «За службу Родине в ВС СССР» 3-й степени, медалями.

Удостоен высшей степени отличия Социалистической Федеративной Республики Югославии – звания «Народный Герой Югославии».