W 1967 został starszym pracownikiem naukowym IPMB. Prowadził m.in. badania nad wpływem na organizm człowieka podczas długotrwałego przebywania w warunkach podwyższonego stężenia dwutlenku węgla. Od października 1967 do marca 1969 był lekarzem-fizjologiem 13 radzieckiej wyprawy antarktycznej. W kwietniu 1970 w IPMB został jednym z kierowników programu biomedycznych badań na zwierzętach realizowanych podczas bezzałogowych lotów na statkach serii „Bion”. Miał duży wkład w przygotowanie programów naukowych i metodyk badawczych, które były wykorzystane na biosatelitach serii „Kosmos”. W kręgu zainteresowań Iljina była również mikrograwitacja i jej wpływ na organizm.
W latach 1978–1980 był współprzewodniczącym komitetu bioastronautyki Międzynarodowej Federacji Astronautycznej. Od 1980 kierował jednym z wydziałów Instytutu Problemów Medyczno-Biologicznych, a od kwietnia 1988 został Zastępcą Dyrektora Instytutu ds. naukowych. 6 kwietnia 1990 rozkazem Ministra Obrony ZSRR w stopniu pułkownika został przeniesiony do rezerwy.