Даниил Ильченко родился 25 декабря 1894 года в Золочеве Харьковской губернии в семье железнодорожника.
В десятилетнем возрасте начал работать - был пастухом, сторожем-табельщиком на угольных складах, железнодорожным рабочим. Одновременно учился в сельской школе, а затем в городском училище. С 16 лет стал работать конторщиком на железной дороге в Харькове, а в 1911 году поступил на вечернее отделение Харьковской частной театральной школы под руководством Н. Н. Синельникова. После окончания театральной школы стал актером театра города Старый Оскол Курской губернии, а позже в 1914-1929 годы, работал в театрах Харькова, Херсона, Евпатории, Курска, Барнаула, Красноярска и других.
В 1917 и 1919 годах служил в армии. С 1932 года жил и работал в Москве. В 1932-1933 годы был актером историко-революционного театра.
С 1933 года был принят в театр имени МОСПС (с 1938 года - театр имени Моссовета), где работал до 1942 года, сыграл роли в постановках: «Мятеж» - Караваев; «Враги» - генерал; «Порт-Артур» - Потанов.
В 1942-1946 годы Даниил Ильченко работал во фронтовом театре, был художественным руководителем и артистом театра классики при Московской филармонии, актером театра Санпросвета, актером и режиссером театра миниатюр.
В 1946 году был принят в Московский драматический театр (ныне Московский драматический театр на Малой Бронной), на сцене которого проработал до конца 1950-х годов и сыграл более двух десятков ролей, среди его работ: «Профессор Полежаев» - матрос Куприянов; «Там, где не было затемнения» - Фома Мазаев; «Не в свои сани не садись» - Русаков; «На бойком месте» - Бессудный; «Синий фарфор» - Скудра; «Светит да не греет» - Дерюгин; «Принц и нищий» - Джон Кенти; «Женитьба Белугина» - Гаврила Пантелеевич.
Заслуженный артист РСФСР (1951).
Впервые снялся в кино в 1914 году в немом военном фильме «Страшен сон, да милостив бог», где сыграл австрийского солдата.
Позже изредка появлялся в фильмах 1930-1940-х. Активно стал сниматься в 1950-е годы.
Первой заметной работой в кино стала роль Тимофея Тутаринова в картине «Кавалер Золотой Звезды». Звездной для него стала роль Пантелея Прокофьевича Мелехова в фильме «Тихий Дон» режиссера Сергея Герасимова - экранизации романа Михаила Шолохова.
Как правило, играл в кино простых русских мужиков и старых казаков. Даниил Ильченко был прекрасным характерным актером.
Его игре были присущи предельная простота, достоверность, сочетание мягкого юмора и психологической глубины образа.
В 1960-м на экраны вышла картина «Простая история», в которой главные роли сыграли Нонна Мордюкова и Михаил Ульянов, а Даниил Ильченко воплотил образ Егора Лыкова.
Также стоит отметить его работы в лентах «Нахаленок» (Аким Игнатьевич Коршунов), «Грешница» (Афанасий Сергеевич), «Каменный крест» (Иван Дидух), «Сады Семирамиды» (отец Шкурата), «Они сражались за Родину» (Лука Михалыч).
Умер 13 апреля 1977 года в Москве.
Урна с прахом захоронена в колумбарии на Николо-Архангельском кладбище.