Путь в медицину для Ильина начался в Ленинграде. В 1953 году он с отличием окончил военно-морской факультет 1-го Ленинградского медицинского института им. акад. И.П. Павлова. Получив диплом с отличием, имел право выбора места службы и отправился на Черноморский флот начальником медицинской службы эскадренного миноносца «Боевой». В свободное время он продолжал изучать вопросы защиты экипажа от атомного взрыва, а когда на флоте появилась должность врача-радиолога, организовал первую на флоте радиологическую лабораторию.

С 1958 года — старший научный сотрудник радиологического отдела одного из НИИ ВМФ в Ленинграде. В 1961 году избран по конкурсу руководителем лаборатории радиационной защиты Ленинградского НИИ радиационной гигиены, где с 1962 года работал заместителем директора по науке. Там впервые были проведены исследования по защите щитовидной железы человека от радиоактивного йода — сначала на животных, затем на добровольцах (вся лаборатория, 15 человек). На основании этого была разработана система защиты: дозы, сроки приёма, порядок применения стабильного йода.

Судьбоносным стал звонок от Аветика Игнатьевича Бурназяна, руководителя 3-го Главного управления при Минздраве СССР, которое курировало атомную промышленность. Бурназян, обладавший редкостным умением ценить и доверять учёным, приехал в ленинградский институт, где Ильин уже был заместителем директора. Через две недели после их разговора Леонид Андреевич получил телеграмму с требованием срочно прибыть в Москву.

С 1968 года, в возрасте 40 лет, Л.А. Ильин возглавил Институт биофизики МЗ СССР (ныне — ФМБЦ им. А.И. Бурназяна). Он руководил институтом в течение 40 лет — до 2008 года. Под его руководством институт стал крупнейшим в мире научным центром по проблемам радиационной медицины и радиационной безопасности.

С именем Л.А. Ильина связаны разработка и внедрение в практику атомной промышленности и энергетики специальных портативных аптечек для профессионалов и аптечек для населения с противорадиационными препаратами для применения в случае радиационных аварий.

В 1972 году профессор Н.Н. Суворов синтезировал химическое соединение, которое в дальнейшем получило название индралин. В опытах на животных, включая обезьян, индралин показал высокую эффективность и малую токсичность при гамма- и гамма-нейтронном облучении. Л.А. Ильин возглавил в качестве научного руководителя широкомасштабные работы, в которых участвовало около 100 учёных и специалистов. Результатом стало принятие Минздравом СССР индралина для внутримышечного введения (1975) и его таблеточного аналога Б-190 для приёма внутрь (1984) в качестве радиопротектора. Препарат Б-190 был принят как табельное средство для использования в организациях Минздрава, на объектах Министерства обороны, ВМФ, ВВС, МЧС и Росатома.

Одна из живых деталей, переданная Л.А. Ильиным, связана с названием «Б-190». Когда он докладывал Бурназяну о результатах, потребовалось зашифрованное название. Ильин предложил «препарат «Б» — в честь Аветика Игнатьевича Бурназяна.

В результате всестороннего изучения, включая испытания на себе и добровольцах, в отечественную практику внедрены:

• препараты стабильного йода (KJ) для защиты щитовидной железы от радиоактивного йода;
• сорбенты адсобар и ферроцин — для выведения радиоактивных стронция и цезия соответственно;
• авторское средство «Защита» для дезактивации кожных покровов от продуктов деления.

Близким другом Леонида Андреевича был академик Юрий Трутнев. Ильин вспоминает историю о том, как Трутнев решил сложнейшую задачу миниатюризации термоядерного боеприпаса. Знаменитая «слойка» Сахарова была слишком громоздкой для авиации. Трутнева осенило: при взрыве 10–15 % энергии уходит на гамма-нейтронное излучение. Он придумал, как «завернуть» эту энергию обратно в контур взрыва, чего хватило для радикального уменьшения габаритов заряда.

Был Ильин знаком и с министром среднего машиностроения Ефимом Павловичем Славским. По идеям и под научным руководством Л.А. Ильина был выполнен цикл теоретических, экспериментальных и полигонных исследований по разработке радиобиологических и радиационно-гигиенических проблем защиты человека от одного из видов радиационного воздействия, за что в 1985 году ему присуждена Ленинская премия.

Авария на Чернобыльской АЭС застала врасплох ранним утром 26 апреля 1986 года. С первых дней катастрофы Л.А. Ильин работал в очаге взрыва, был одним из научных руководителей всех медико-биологических и гигиенических работ по ослаблению последствий глобальной радиационной катастрофы. Радиоактивному загрязнению подверглось 9 областей Украины, Белоруссии и России с населением около 15 миллионов человек.

Уже 28 апреля в Москву, в освобождённую для этих целей больницу, доставили около 240 пострадавших. Тщательный анализ выявил 134 случая острой лучевой болезни, 28 из них — с летальным исходом.

Кульминацией стал день 7 мая 1986 года. Л.А. Ильин работал на промплощадке ЧАЭС, когда его срочно вызвали в штаб и отправили на заседание Политбюро ЦК Компартии Украины во главе с первым секретарём В.В. Щербицким. Там обсуждался вопрос об эвакуации всех детей из Киева, что с учётом сопровождающих означало вывоз половины города. Л.А. Ильин, одетый в спецодежду, выступил категорически против, заявив, что это вызовет панику и не имеет научного обоснования. Его поддержал срочно вызванный председатель Госкомгидромета Ю.А. Израэль.

По просьбе Щербицкого они удалились в отдельную комнату и с 17:00 до 23:00 писали заключение на полторы страницы — «Рекомендации по критериям возможности проживания, необходимости отселения и временной эвакуации населения», тщательно взвешивая каждое слово. Их рекомендация была против массовой эвакуации. Щербицкий, зачитав документ, объявил, что Политбюро принимает позицию учёных, и запер бумаги в сейф, назвав их документом государственной важности.

Это решение, основанное на научных данных и гражданской позиции академиков Л.А. Ильина и Ю.А. Израэля, предотвратило хаос и панику в многомиллионном городе.

Во второй половине 1986 года Л.А. Ильин впервые сделал прогноз возможных радиологических последствий аварии на ЧАЭС, впоследствии подтверждённый зарубежными и отечественными учёными. Он является инициатором создания Регистра доз облучения ликвидаторов и населения, подвергнувшихся радиационным воздействиям. Итоги работ по Чернобылю Л.А. Ильин опубликовал в уникальной монографии «Реалии и мифы Чернобыля», вышедшей в двух изданиях (1994, 1996), переведённой на английский (1995) и японский (1998) языки.

На протяжении многих лет Л.А. Ильин представлял СССР и Россию в международных организациях по радиационной защите: в Научном комитете по действию атомной радиации (НКДАР ООН) с 1972 года, в течение 30 лет (1970–2000) избирался членом Главного комитета Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ).

В 1980 году вместе с Е.И. Чазовым, А.М. Кузиным и тремя известными американскими учёными (Б. Лаун, Э. Чериан, Г. Миллер) он стал одним из создателей движения «Врачи мира за предотвращение ядерной войны». В 1982 году вышла монография «Опасность ядерной войны: медико-биологические последствия; точка зрения советских учёных-медиков» (в соавторстве с Е.И. Чазовым и А.К. Гуськовой), переведённая на английский, немецкий, испанский и французский языки. В 1985 году движение было удостоено Нобелевской премии мира.

Л.А. Ильин — кавалер двух орденов Ленина (один — в связи с присвоением звания Героя Социалистического Труда, 1988), ордена Трудового Красного Знамени, ордена Октябрьской Революции, награждён тремя благодарностями Президентов Российской Федерации.

Будучи членом интеллектуально-делового клуба Н.И. Рыжкова, награждён орденами Петра Великого I степени и Дмитрия Донского. Имеет нагрудные знаки Росатома: «И.В. Курчатов» I степени, «Е.П. Славский», Минздрава РФ — «А.И. Бурназян», а также «Золотой крест ФМБА России».

В 2013 году Л.А. Ильин удостоен Международной премии Андрея Первозванного «Вера и Верность» за выдающийся вклад в развитие отечественной науки, спасение человеческих жизней и многолетний труд в деле укрепления мира.

Автор и соавтор более 400 научных публикаций, в том числе 20 монографий, подготовил 7 докторов и 12 кандидатов наук. Его деятельность создала прочный фундамент для всей отечественной системы радиационной защиты, обеспечила безопасность атомной отрасли и стала основой для мирного применения атомных технологий.