Родился 16 ноября 1947 года в артистической семье. Отец - Заслуженный артист РСФСР Адольф Алексеевич Ильин, родоначальник актерской династии Ильиных (работал в Свердловском театре, а затем в Театре имени Маяковского, сыграл более 30 ролей в фильмах и сериалах, среди которых «Мать», «Она Вас любит», «Женя, Женечка и «Катюша», «Начало», «Строговы», «Золотая мина» и другие). Мать - Зинаида Борисовна Ильина, врач-педиатр. Родители развелись, когда Владимир учился в школе. Брат - заслуженный артист РСФСР Александр Ильин, актер. Племянники (сыновья брата) – актеры Илья Ильин, Алексей Ильин и Александр Ильин-младший.
В детстве занимался балетом, фигурным катанием, а также проводил много времени за кулисами театра, где работал отец.
После окончания школы поступил в Свердловское театральное училище (курс Феликса Григорьевича Григорьяна), которое окончил в 1969 году.
После окончания училища около двух лет проработал в театре «Скоморох» под руководством Геннадия Юденича. Затем по приглашению своего педагога по училищу Ф. Г. Григорьяна работал в Казанском ТЮЗе, где одной из самых запомнившихся его театральных работ стала роль Тихона в спектакле по пьесе А. Н. Островского «Гроза».
После переезда в Москву в 1974 году стал актером Театра имени Маяковского, где проработал 15 лет. Играл в спектаклях «Вишневый сад», «Банкрот», «Закат», «Театр времен Нерона и Сенеки» и многих других. Самой известной его театральной работой стала роль  в спектакле «Агент 00» по произведению Генриха Боровика, где он в полной мере смог проявить свое трагикомическое дарование. После ухода из театра в 1989 году лишь однажды вновь появился на сцене – в спектакле «Вишневый сад» (совместный проект Международного Фонда Станиславского и вильнюсского театра «Meno Fortas», постановка Эймунтаса Някрошюса), который получил в 2004 году премию «Золотая Маска» («Приз критиков и журналистов»).
Первую роль в кино сыграл в 1968 году в фильме «Женя, Женечка и «Катюша» (по просьбе отца, исполнявшего в картине роль командира дивизиона, режиссер Владимир Мотыль доверил Владимиру маленький эпизод). В 1970-е и в начале 1980-х годов снимался мало. Первой серьезной работой, обратившей на себя внимание, стала в 1986 году главная роль в картине «Мой любимый клоун» (реж. Ю. Кушнерев). Известность пришла после выхода на экраны в 1989 году фильма «Авария - дочь мента» (реж. М. Туманишвили, гл. роль – Алексей Николаев). Начиная со второй половины 1980-х годов, становится одним из самых востребованных актеров. Много снимался даже в сложные для кинематографа 1990-е годы, причем очень часто в картинах, оставивших след в истории российского кино, таких как «Сукины дети» (реж. Л. Филатов, гл. роль – Лев Александрович Бусыгин, 1990), «Анкор, еще анкор!» (реж. П. Тодоровский, роль – капитан Лиховол, 1992), «Менялы» (реж. Г. Шенгелия, гл. роль – Роланд Бабаскин, 1992), «Над темной водой» (реж. Д. Месхиев, гл. роль – Володя, 1992), «Макаров» (реж. В. Хотиненко, роль – Василий Иванович Цветаев, 1993), «Утомленные солнцем» (реж. Н. Михалков, роль – Кирилл, 1994), «Мусульманин» (реж. В. Хотиненко, роль – пастух, 1995), «Хочу в тюрьму» (реж. А. Сурикова, роль – Семен Лямкин, 1998), «Сибирский цирюльник» (реж. Н. Михалков, роль – капитан Мокин, 1998) и других.
Не менее успешно складывается его актерская карьера и в новом веке. Всего сыграл около 100 ролей в фильмах и сериалах, среди которых «Завещание императора» (реж. С. Дружинина, роль – Андрей Остерман, 2000), «Марш Турецкого» (реж. М. Туманишвили, роль – Вячеслав Иванович Грязнов, 2000), «Русский бунт» (реж. А. Прошкин, роль – Савельич, 2000), «Ландыш серебристый» (реж. Т. Кеосаян, роль милиционер Мисочкин, 2000), «Жизнь одна» (реж. В. Москаленко, роль – Кепка, 2003), «Идиот» (реж. В. Бортко, роль – Лукьян Тимофеевич Лебедев, 2003), «Доктор Живаго» (реж. А. Прошкин, роль – Александр Громеко, 2005), «Заяц над бездной» (реж. Т. Кеосаян, гл. роль – Иван Никитич Смирнов, 2006), «Исчезнувшая империя» (реж. К. Шахназаров, роль – Степан Молодцов, 2008), «Палата № 6» (реж. К. Шахназаров, гл. роль – Андрей Ефимович Рагин, 2009), «Исаев» (реж. С. Урсуляк, роль – Николай Иванович Ванюшин, 2009), «Тарас Бульба» (реж. В. Бортко, роль – Кошевой, 2009), «Высоцкий. Спасибо, что живой» (реж. П. Буслов, 2011) и многие другие.

Звания

▪ Народный артист РФ (08.01.1999)

Награды

Премия кинофестиваля «Кинотавр» в номинации «Лучшая мужская роль» за роль в фильме «Сукины дети» (1991)
▪ Приз кинофестиваля «Созвездие» в номинации «Лучшая мужская роль второго плана» за роль в фильме «Затерянный в Сибири» (1993)
▪ Кинематографическая премия «НИКА» в номинации «Лучшая мужская роль второго плана» за роль в фильме «Макаров» (1993)
▪ Приз фестиваля «Киношок» в номинации «Лучшая мужская роль» за роль в фильме «Макаров» (1993)
▪ Кинематографическая премия «НИКА» в номинации «Лучшая мужская роль» за роль в фильме «Хочу в тюрьму» (1998)
▪ Премия кинокритики и кинопрессы «Золотой овен» в номинации «Лучшая роль второго плана» за роль в фильме «Сибирский цирюльник» (1999)
▪ Государственная премия Российской Федерации (в составе творческой бригады) – фильм «Сибирский цирюльник» (1999)
▪ Премия кинофестиваля «Кинотавр» в номинации «Лучшая мужская роль» за роль в фильм «Хочу в тюрьму» (1999)
▪ Приз «Серебряный Георгий» за лучшее исполнение мужской роли на 31-м Московском кинофестивале за роль в фильме «Палата № 6» (2009)
▪ Кинематографическая премия «НИКА» в номинации «Лучшая мужская роль» за роль в фильме «Палата № 6» (2009)

Семья

Супруга – Зоя Владимировна Ильина (Пыльнова), с 1971 по 1984 год была актрисой Театра на Таганке, ушла из театра вскоре после отставки Юрия Любимова, работала на озвучивании мультфильмов, позже стала регентом церковного хора.