Родился в СССР 21 декабря 1967 года в посёлке Краснооктябрьский Киргизской ССР. Вскоре семья переехала в Сибирь, а затем в 1979 году в город Терновка Днепропетровской области Украинской ССР. Там в 1985 году Олег закончил среднюю школу. Поступил в Рязанское высшее военное командное училище связи имени Маршала Советского Союза М.В. Захарова, и окончив его в 1989 году продолжил службу в 701-м отдельном батальоне ВДВ, командуя сначала парашютно-десантным взводом, а затем ротой. С июня 1995 года начал службу в спецподразделении «Вымпел» в горном отделении 4-го отдела. С первых дней проявил себя инициативным и ответственным сотрудником. Постоянно тестировал специальную экипировку и обмундирование, справедливо предполагая, что от их качества и удобства может зависеть способность выполнить задание и сохранить жизни бойцов. Освоил параплан, участвовал в создании нештатной водолазной группы в «Вымпеле». В 2000 году О.Г. Ильин окончил Академию ФСБ России. Вместе со своим подразделением неоднократно участвовал в операциях против террористов на Северном Кавказе. В Дагестане в январе 1996 года в селе Первомайском группа Ильина вступила в бой с боевиками Салмана Радуева, в 1999 году группа воевала в Ботлихском районе с боевиками Шамиля Басаева. В 2002 году после захвата заложников в театральном центре на Дубровке («Норд-Ост»), Олег Геннадьевич со своей группой обеспечивал блокаду террористов и все время был на сложных участках спецоперации, требовавших принятие быстрых и правильных решений. За время службы подполковник О.Г. Ильин награждён орденами Мужества и «За военные заслуги», медалями ордена «За заслуги перед Отечеством» I и II степеней, медалью «За отвагу», ведомственной медалью «За участие в контртеррористической операции» и другими наградами и знаками.
1 сентября 2004 года, когда произошёл захват заложников в школе №1 в Беслане, подполковник Ильин вместе со своим подразделением прибыл в город. Командование приказало провести рекогносцировку местности вокруг захваченной школы и определить пути скрытного выдвижения групп спецназа для её штурма. 3 сентября начался вынужденный штурм, причиной которого стали взрывы и пожар в здании школы. Заложники побежали через окна и двери, а террористы стали их расстреливать. Олег Геннадьевич и его группа вступили в бой, открыв огонь по боевикам. Одновременно группа приняла участие в эвакуации заложников в своём секторе. Подполковник Ильин был ранен осколком гранаты в лицо, но не покинул место боя. Проникнув через окно в школу и поднявшись на второй этаж, группа Ильина освободила заложников в учительской, кабинете директора и компьютерном классе. Двигаясь к актовому залу, группа наткнулась на готовившихся к прорыву боевиков и вступила в бой. Действуя гранатами и стрелковым оружием, спецназ уничтожил девять боевиков и оттеснил оставшихся к лестничной клетке. Подполковник Ильин, находясь в авангарде своей группы, попал под ответный огонь боевиков и погиб, успев предупредить следовавших за ним бойцов о засаде. Указом Президента Российской Федерации от 6 сентября 2004 года подполковнику Олегу Геннадьевичу Ильину за мужество и героизм, проявленные при выполнении специального задания, было присвоено звание Героя Российской Федерации (посмертно).
Подполковник О.Г. Ильин навечно зачислен в списки Рязанского высшего военного командного училища связи имени Маршала Советского Союза М.В. Захарова. На Аллее Героев училища ему установлен памятник. Бюсты героя установлены в Рязани, в городе Щёлково Московской области и городе Пятиморск Волгоградской области, мемориальные таблички и памятные доски установлены в Беслане и поселке Новый Городок Московской области. Средней общеобразовательной школе №19 в Щёлково присвоено имя Олега Ильина. В память о нем проводятся межрегиональные турниры по армейскому рукопашному бою. В 2013 году О.Г. Ильину посвящена почтовая марка из серии «Герои Российской Федерации».