Когда война закончилась, Ильюшина направили на учебу в Московский институт инженеров Красного воздушного флота (позже – Военно-воздушная инженерная академия имени Н.Е. Жуковского). Во время учебы Сергей строил учебные планеры. В 1926 году закончил академию, а в 1931 году – создал и возглавил одно из конструкторских бюро, которое занималось разработкой двухмоторного самолета. В 1938-1939 годах на самолетах, сделанных в конструкторском бюро Ильюшина, были совершены беспосадочные перелеты Москва-Владивосток и Москва-Северная Америка.
Самолеты Ильюшина – дальние бомбардировщики Ил-4 и штурмовики Ил-2 прославились в годы Второй мировой войны. В 1944 году конструкторское бюро Ильюшина приступило к созданию принципиально новой на тот момент реактивной авиации.
Самолеты Ил-12, которые стали производить на следующий после окончания войны год, позволили заметно увеличить пассажирские перевозки. Следом был разработан еще ряд пассажирских самолетов. Талантливый авиаконструктор Сергей Владимирович создал не только ряд превосходных машин, как военного, так и гражданского назначения, но и свою школу в самолетостроении. Многолетний труд Ильюшина в данной сфере был отмечен многими государственными наградами.
Умер Сергей Владимирович Ильюшин 9 февраля 1977 года в Москве и был похоронен на Новодевичьем кладбище.
