Родился 21 февраля 1977 года в Москве. Его отец был авиаинженером. Благодаря стараниям матери, уже в школьные годы Илья стал играть на сцене Театра юного москвича. А саму школу Илья закончил раньше, сдав все экзамены досрочно. При этом, в последние годы он учился в лицее при мехмате МГУ им. Ломоносова, где изучал программирование, чтобы иметь дополнительную профессию. А уже в 1993 году Любимов был зачислен на режиссерский факультет РАТИ на курс Петра Фоменко, где прежде учился и его старший брат. После окончания обучения в 1997 году Илья был благополучно принят в основной актерский состав театра "Мастерская Петра Фоменко", (в этом театре Любимов играет и по сей день). В 2000 году за свою роль в постановке «Семейное счастие» Любимов был удостоен премии «Чайка», а спустя год стал обладателем Театральной премии МК. В интервью Илья не раз отмечал, что настоящий актер должен быть некой болванкой, из которой можно вылепить что угодно, он берется за свои роли и не боится рисковать.
На экране Любимов дебютировал в 2001 году, исполнив одну из ролей в сериале «Гражданин начальник», следом вышли фильм «Смеситель» и сериал «Дневник убийцы», которые и принесли актеру первую известность. В 2003 году он отметился в таких заметных лентах, как «Одиссея 1989» и «Бумер». После чего на Илью обратили внимание и предложили сниматься в целом ряде телесериалов. В тот же период с его участием свет увидели картины «20 сигарет», «Другое лицо», «Обстоятельства». Еще больший успех пришел благодаря фильму «Неадекватные люди». А среди последних работ актера можно отметить сериалы «Без свидетелей», «Наружное наблюдение» и ленту «Женский день».
Весной 2011 года Любимов женился на актрисе Екатериной Вилковой, а в 2012 году у пары появилась дочь. Среди увлечений Ильи мотоциклы и парашютизм, но времени на них у него, как правило, не хватает, поэтому он чаще катается на горном велосипеде на Воробьевых горах рядом с домом.
