В 1917 г. Ильюшин вступил в ряды Красной Армии. Как опытного авиационного специалиста его вскоре назначили сначала механизм, а впоследствии начальником авиаремонтного поезда. Обслуживать авиационную технику приходилось в основном в районе Петрограда и в Карелии. Как-то летом 1919 г. под Петрозаводском был сбит белогвардейский самолёт английской конструкции Авро-504. Сергею Ильюшину было поручено разобрать трофейный самолёт на части и доставить его в Москву. Здесь с машины сняли чертежи.
Знакомство с английской машиной не прошло для Ильюшина бесследно. Появилась мысль, пусть тогда ещё не полностью осознанная, о возможности самому создать летательный аппарат. Однако он понимал, что для этого нужны специальные знания, а их-то и не было у крестьянского парня.
Ильюшин сразу же после Гражданской войны поступает в Институт инженеров Красного Воздушного Флота, вскоре преобразованный в Академию Воздушного Флота имени проф. Н. Е. Жуковского
Дни и ночи Ильюшин сидел за учебниками. Колоссальная воля и трудолюбие сделали своё — академию Ильюшин окончил успешно Ещё во время учёбы Сергей Владимирович увлёкся строительством планеров и создал удачные конструкции учебных планеров «Мастяжарт», «Рабфаковец», паритель «Москва». Планеры хорошо себя показали во время первых Всесоюзных соревнований.
В 1926 г., вскоре после окончания Военно-воздушной академии, Сергея Владимировича, проявившего большие конструкторские способности, назначают на высокий и ответственный пост — председателем секции самолётостроения Научно-технического комитета Военно-Воздушных Сил. Это значило, что молодой, тридцатилетний специалист должен был непосредственно отвечать за создание новых самолётов для советской военной авиации.
Именно в ту пору закладывались основы отечественной авиации: строились новые авиационные заводы, создавались совершенные боевые самолёты. К этому времени относится и появление туполевского двухмоторного бомбардировщика ТБ-1, а затем четырёхмоторного гиганта ТБ-3. В небо взлетали истребители, созданные Н. Н. Поликарповым, А. Н. Туполевым, Д. П. Григоровичем и другими. В каждой из этих боевых машин была заложена и частица труда Ильюшина.
Работа в научно-техническом комитете стала для него хорошей школой. Здесь Сергей Ильюшин познакомился с творчеством ведущих конструкторов, перенял от них самое лучшее.
Часто бывая на авиационных заводах, помогая наладить серийный выпуск машин, Ильюшин хорошо понял, как важно ещё в процессе проектирования не забывать о простоте технологии их изготовления.
На заседаниях комитета Сергею Ильюшину иногда приходилось мирить непримиримых: представителей Военно-Воздушных Сил, требовавших самолётов с высокой скоростью, «потолком» и большой дальностью полёта, с конструкторами, доказывавшими техническую невозможность выполнения всех этих требований. Генерал-лейтенант авиации Н. А. Соколов-Соколёнок, работавший одно время в комитете, вспоминал: «Точный инженерный расчёт Ильюшина служил холодным душем для «сверхзазнавшихся тактиков».
В 1931 г. Сергея Владимировича по его настоятельной просьбе перевели на работу в Центральное конструкторское бюро при заводе мени В. Р. Менжинского. В то время в нашей стране практически только два коллектива разрабатывали боевые самолёты — туполевский, специализировавшийся в основном на бомбардировщиках, и полиикарповский, проектировавший истребители и разведчики.
Первой работой Ильюшина-конструктора был скоростной двухмоторный цельнометаллический дальний бомбардировщик. В принципе, создать его можно было многими способами. Например, использовав экономичные двигатели. Однако этот вариант мало зависел от конструктора самолётов: выбирать приходилось из существующих двигателей. Увеличить дальность полёта можно было и за счёт улучшения аэродинамики. «Если выбор двигателя ограничен, — думал Сергей Владимирович, — то запас горючего зависит от конструктора!»
Поэтому с самого начала особое внимание было обращено на повышение запаса топлива. Не раз и не два прикидывал Ильюшин варианты размещения топливных баков на самолёте. Самым целесообразным во всех отношениях оказалось решение разместить горючее в крыльях. Здесь для облегчения массы машины решено было заливать топливо прямо в герметизированные отсеки части крыла. Для защиты баков от пуль и осколков между двумя слоями дюраля предусматривалось помещать слой специальной резины. При простреле бака резина набухала и закрывала отверстие.
Во время работы над этим самолётом Сергей Владимирович познакомился с молодым лётчиком-испытателем Владимиром Константиновичем Коккинаки. Это произошло в заводском цеху, у макета будущего бомбардировщика. Коккинаки влез в кабину макета, где всё было как в настоящем самолёте.
— Как обзор? — спросил конструктор. — Удобно ли размещены приборы?
Лётчик ответил не сразу. Усевшись и поставив ноги на педали, он взял штурвал на себя, потом отдал:
— Кажется, нормально. Вот только надо бы изменить...