Родился 3 апреля 1834 г. в Ново-Ладожском уезде, в родовом имении отца под Шлиссельбургом, воспитание получил в 1-м кадетском корпусе и школе гвардейских подпрапорщиков, откуда выпущен в офицеры 13 августа 1852 г. в Лейб-гвардии Семёновский полк. Затем он вступил для пополнения своего специального образования в Академию Генерального штаба и в 1856 г. по окончании в ней курса состоял при Военно-топографическом депо, потом в распоряжении военного министра и генерал-квартирмейстера Главного штаба, а позже занимал место старшего начальника распорядительного отделения, был при главном управлении Генерального штаба для особых поручений и, наконец, состоял при начальнике Главного штаба чиновником особых поручений.
В 1859 г. полковник Генерального штаба В. А. Полторацкий основал картографическую литографию. Штаб военно-учебных заведений поручил ему в 1858 г. издание военно-исторического атласа войн 1812-1815 гг., и Полторацкий, вступив в компанию с А. А. Ильиным, значительно расширил литографию с целью улучшить и удешевить порученную ему работу. Затем Полторацкий получил назначение в Туркестан и должен был оставить Петербург, и литография перешла в собственность А. А. Ильина и с 1864 г. стала называться «Картографическим заведением».
С начала 1870-х гг. положение его совершенно упрочилось, заведение значительно увеличило свою деятельность и с тех пор выпустило массу географических атласов и карт, научных, статистических, специальных для разных министерств, департаментов горного, почтового и телеграфного, для учёных обществ, в том числе для Академии Наук и Русского Георграфического общества, а также целый ряд художественных изданий для публики и для Академии Художеств и других подобных учреждений.
К изданию карт А. А. Ильин привлёк таких видных учёных, как А. И. Воейков, И. А. Стрельбицкий и др.
В 1870 г. Ильин был награждён орденом св. Анны 2-й степени, в 1875 г. - св. Владимира 3-й степени.
Картографическому заведению принадлежало также издание таких капитальных трудов, как многотомное сочинение Э. Реклю «Земля и люди. Всеобщая география», «География» Клодена, «Учебный атлас по русской истории» Е. Замысловского, «Атлас Российской Империи 1871 года» и другие, и целая серия естественно-исторических книг и разных учебных руководств: «Краткий повторительный курс статистики», «Краткий курс тригонометрии», «Курс фортификации», «Курс артиллерии», «Лекции динамики», «Курс тактики», «Краткая справочная энциклопедия (военные науки, всеобщая история)» и многих других. Кроме того Ильин издавал двенадцать лет (1867-1878) журнал популярного землеведения «Всемирный путешественник» (на паях с генералом С. П. Зыковым) и с 1879 г. такой же журнал «Природа и люди».
В генерал-майоры А. А. Ильин был произведён 30 августа 1878 г., в 1883 г. удостоен ордена св. Станислава 1-й степени, чин генерал-лейтенанта получил 30 августа 1888 г.
Скончался 22 ноября 1889 г.
СемьяСын - Алексей Алексеевич Ильин (7 (19).08.1858 - 4.07.1942) - государственный деятель, историк, нумизмат, картограф.