W 1950 opracował własną metodę stabilizacji zewnętrznej oraz wydłużania i korekcji kształtu kości kończyn opartą na zjawisku osteogenezy dystrakcyjnej, które sam opisał. Wymyślony przez niego system składający się z metalowych pierścieni łączonych ze sobą przy pomocy prętów i mocowanych do kości drutami Kirschnera nosi dziś nazwę aparatu Ilizarowa (opatentował go w 1951). Początkowo metoda nie spotkała się z akceptacją kolegów po fachu. W 1955 Ilizarow został ordynatorem oddziału chirurgicznego w kurgańskim szpitalu, a jego prace zaczęły interesować innych radzieckich ortopedów. Początkowo szersze badania nad nową metodą prowadzono w instytucie w Swierdłowsku (dziś Jekaterynburg). Wyniki były bardzo dobre, jednak odległość między instytutem a miejscem pracy Ilizarowa stwarzała pewne problemy organizacyjne. W związku z tym w 1966 w Kurganie powstało laboratorium będące oddziałem Instytutu Swierdłowskiego, którego kierownikiem został Ilizarow. W 1969 stało się ono częścią Instytutu Ortopedii i Traumatologii w Leningradzie (dziś Sankt Petersburg). Z czasem, dzięki kilku prominentnym pacjentom (Walery Brumel, Carlo Mauri) metody Ilizarowa zostały uznane przez środowiska medyczne ZSRR, zaś instytut ortopedii i traumatologii w Kurganie został jednym z największych szpitali ortopedycznych na świecie.