В период учебы в ВВА Сергей Владимирович Ильюшин, будучи членом военно-научного общества активно занимался конструированием, постройкой и испытаниями планеров. Созданный им планер «Москва» на соревнованиях в Германии (1925 г.) получил первый приз за продолжительность полета.

После окончания академии С. В. Ильюшин работал в НТК ВВС, участвуя в разработке тактико-технических характеристик авиационной техники. С 1931 г. — инженер Центральной аэрогидродинамической лаборатории. В 1933 г. стал конструктором КБ, где им был разработан дальний бомбардировщик ДБ-3, Ил-4, на котором в августе 1941 г. была осуществлена первая бомбардировка Берлина. В 1939 г. возглавляемое С. В. Ильюшиным КБ разработало известный штурмовик Ил-2, обладающий высокой боевой живучестью и эффективностью, который сыграл важную роль в Великой Отечественной войне.

Другим направлением деятельности С. В. Ильюшина после окончания Великой Отечественной войны была разработка его ОКБ пассажирских самолетов (Ил-12, Ил-14, Ил-18, Ил-62). Последней работой легендарного авиаконструктора стал военно-транспортный самолет Ил-76, модификации которого эксплуатируются до настоящего времени. В общей сложности в СССР построено около 60000 боевых и гражданских самолетов с маркой «Ил».

Несмотря на огромную занятость, С. В. Ильюшин был начальником кафедры «Проектирование самолетов» ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского (1944—1949), благодаря чему внес значительный вклад в подготовку авиационных инженеров для ВВС. Некоторые дипломные проекты слушателей, руководство которыми он осуществлял, выполнялись непосредственно в ОКБ, что обеспечивало эффективную связь учебного процесса с реальными проблемами разработки боевых самолетов.

Награжден 8 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, 2 орденами Красного Знамени, орденом Суворова 1 и 2 степеней, орденом Трудового Красного Знамени, 2 орденами Красной Звезды, медалями.