З 1941 під час радянсько-німецької війни війни перебував в евакуації в Сибіру (с. Філіповці Ординського р-ну Новосибірської обл., РФ). 1946 разом з сім'єю переїхав до Москви.

1960 року зняв дипломну роботу – перший в історії ВДІКу повнометражний фільм «Прощавайте, голуби», і отримав за нього найвищі нагороди на світових кінофестивалях у Празі і Локарно за найкращу операторську роботу. У 1963 році отримав запрошення зі студії ім. О. Довженка зняти фільм «Тіні забутих предків» режисера Сергія Параджанова. Фільм став лауреатом понад сотні міжнародних кінофестивалів.

У 1960-63 рр. працював асистентом оператора на Ялтинській кіностудії художніх фільмів.

Дебют Юрія Іллєнка у режисурі – «Криниця для спраглих» за сценарієм Івана Драча про винищення українського села, був заборонений постановою ЦК КП України на 22 роки. Наступний фільм «Вечір на Івана Купала» – алегорична історія України, був знятий з екрану рішенням міністра культури СРСР Романова і покладений на полицю на 18 років. Фільм реабілітовано в 1988-му.

У 1971 році на 24-му з'їзді компартії України заборонено наступний, третій фільм Юрія Іллєнка «Білий птах з чорною ознакою» як «найбільш шкідливий фільм, що колись було зроблено в Україні. Особливо шкідливий для молоді».

У 1972 році в Югославії Юрій Іллєнко знімає фільм «Жівіо заінат», що перекладається як «Живу наперекір всьому». Фільм отримав «Срібну арену» на фестивалі в Пулі і приз за найкращу чоловічу роль. В Україні на екран був не допущений. Наступний фільм «Мріяти і жити» за сценарієм Івана Миколайчука і Юрія Іллєнка було 42 рази зупинено у виробництві на різних стадіях.

У різні роки було заборонено майже всі проєкти Юрія Іллєнка на стадії сценарію. З написаних 42 сценаріїв лише сім стали фільмами.

У 1989 році Юрій Іллєнко створив незалежну кіностудію «Фест-Земля», на якій зняв перший в Україні фільм не на державні кошти. В основу фільму покладено зеківські оповідання Сергія Параджанова «Лебедине озеро. Зона». Це фільм було запрошено на Каннський кінофестиваль, де він виборов два призи: Приз ФІПРЕССІ – міжнародної федерації кінопреси і Приз «Ескор» – незалежної молодої кінокритики.

У 2001 зняв проект «Молитва за гетьмана Мазепу», до якого йшов близько третини свого життя.

Від 1968 (з перервою) викладав у Київському університетіті театру, кіно і телебачення: від 1990 – засновник і завідувач кафедри кінорежисури та кінодраматургії. Один із засновників і академіків Національної Академії мистецтв України (1996). У 1991-92 – Голова Державного фонду української кінематографії при Кабінеті міністрів України. 1996-98 – член президії Комітетуту з державних премій України ім. Т. Шевченка.

Юрій Іллєнко відомий також як живописець. Учасник міжнародних мистецьких виставок від 1990. Персональні – у Києві (1965, 1999).

Автор роману-сценарію «Агасфер. Хроніка другого пришестя Христа» (1994), понад 20 сценаріїв і лібрето балетів, за якими створено 12 фільмів і 2 балети: «Агонія» («Прометей»; 1982; Бєлградський театр опери та балету), «Ольга» (1990; Київський театр опери та балету) тощо.

Народний артист УРСР (1987). Лауреат Державних премій України ім. Т. Шевченка (1991; у складі творчого колективу за худож. кінофільм «Тіні забутих предків»), імені О. Довженка (2005). Нагороджений Орденом України «За заслуги» 3-го (1996) та 2-го (2008) ступенів, державними нагородами СРСР. Був членом Національної спілки кінематографістів України (з 1964).

Помер 15 червня 2010 року в селі Прохорівці на Черкащині після тривалої невиліковної хвороби.