Андрей родился 18 июля 1960 года в Нижнем Новгороде в семье водителя и заведующей хозяйством в местном училище. «Обычное детство – с драными штанами, с разбитой башкой… Родителей уважали: папа иногда был суров и вполне мог поучить ремнем. Так что родители держали в строгости, и школа тоже вправляла мозги, и спортом я занимался: плаванием, спортивной гимнастикой, легкой атлетикой, самбо…», – вспоминает Андрей. С пятого класса Ильин начал ходить в детский театр «Юность» при Дворце пионеров и, по его признанию, «увлекся театром не на шутку». Ильин планировал окончить школу и поступить в театральное училище. Но вмешался случай: однажды на летних каникулах он встретил приятеля, который на тот момент работал в приемной комиссии училища и сагитировал Андрея поступать немедленно. 14-летний Ильин решился бросить школу и продолжить образование в Горьковском театральном училище. «Пожалуй, первый успех пришел ко мне еще в театральном училище. Я сыграл Принца в спектакле “Принц и нищий” по Марку Твену и почувствовал какую-то уверенность в себе. Очень хороший был спектакль, а это всегда вдохновляет!» – уверен актер. После учебы Андрей поступил в труппу Русского театра в Риге, где, по его словам, ему «с самого начала доверяли сложные, интересные роли». Одновременно Ильин учился на актерском факультете Рижской консерватории.
В кино актер дебютировал еще в 21 год, снявшись в маленькой роли таксиста в советской ленте «Следствием установлено» (1981). Затем были эпизоды в фильмах «Один и без оружия» (1984), «Человек свиты» (1987). В 23 года, в 1983-м, Андрей женился на актрисе Людмиле Ворошиловой (с которой впоследствии прожил 9 лет).
В 24 года Ильину пришлось прервать актерскую карьеру и отдать долг родине. «Опыт сыгранных ролей помогал, но было очень тяжело, – признается Ильин. – Приходилось подчиняться восемнадцати-девятнадцатилетним сержантам… Особенно нелегкими оказались первые восемь месяцев, когда я учился в сержантской школе: гранатометы, автоматы, десятикилометровые кроссы, закапывания-откапывания, мат-перемат… Со временем понял: жить в армии можно, если удается представлять, что это не всерьез, а просто такая роль». После исполнения «роли солдата» Андрей переехал в Москву, куда его пригласили в Театр им. Моссовета и даже предоставили временное жилье.
Впоследствии Ильин играл в разных театрах столицы и снимался в кино (дебютная лента Валерия Тодоровского «Катафалк», «Циники», «Летучий голландец», «Анкор, еще анкор!», «Семь сорок» и др.) В 1992-м 32-летний Ильин женился во второй раз — на Александре Табаковой, дочери известного режиссера и актера Олега Табакова (и этот брак продлился 8 лет). В перестроечные 90-е годы Ильин, чтобы прокормить семью, после работы в театре занимался частным извозом.
В 1995-м 35-летний актер сыграл одну из своих наиболее успешных ролей — главного героя в ленте Петра Тодоровского «Какая чудная игра». Андрей воплотил образ студента 50-х годов Феликса Раевского, который вместе с друзьями по общежитию ввязывается в рискованную политическую игру.
Несмотря на то, что актер сыграл множество ролей на экране, его визитной карточкой стал герой телесериала — тихий неприметный и мудрый очкарик Андрей Чистяков, супруг супердетектива (Елены Яковлевой) в телесериале «Каменская: Стечение обстоятельств» (1999) и его многочисленных продолжениях. В 40 лет Ильин женился в третий раз — на тренере по плаванию Ольге.
