Служба в армии и работа в Вологде
Осенью 1914 года Ильюшин был мобилизован в армию. Сначала Сергей служил в пехотной учебной команде, затем писарем в управлении воинского начальника города Вологды. Когда в управление пришёл запрос на семь человек для службы в авиации, Ильюшин по собственной просьбе был переведён в команду Северного района авиации в Петербург на Комендантский аэродром, где служил сначала ангарным, затем помощником авиамоториста, младшим и, наконец, старшим мотористом. Сергей входил в состав аэродромной команды, которая принимала, проверяла, готовила к полётам самолеты от авиационных заводов С. С. Щетинина и В. А. Лебедева.
Летом 1917 года Ильюшин сдал экзамен на права пилота, окончив солдатскую школу лётчиков Всероссийского императорского аэроклуба.
В марте 1918 года в связи с резким сокращением выпуска самолётов авиационными заводами аэродромную команду расформировали. Ильюшин уехал сначала в Дилялево, а затем в Вологду, где работал заведующим отделом промышленности Вологодского совета народного хозяйства: занимался налаживанием работы национализированных лесопилок, паровых мельниц, маслобойных заводов.
В октябре 1918 года вступил в партию большевиков. В том же году Ильюшин и три его товарища — Александр Иванов, Владимир Фирулёв и Александр Бирилло — по заданию губкома партии основали партийную ячейку в Вологодском педагогическом институте.
В мае 1919 года был призван в Красную Армию. Ильюшина направили в Серпухов, где находилось командование Красного Воздушного Флота. Там Сергей Владимирович встретил своих старых знакомых по аэродромной команде Комендантского аэродрома — начальника 6-го авиаремонтного поезда Воронца и комиссара поезда А. Ф. Раугевича. Они договорились о назначении Ильюшина авиамехаником 6-го авиаремонтного поезда 6-й армии Северного фронта.
Осенью 1919 года механик Ильюшин получил приказ: выехать в район Петрозаводска, где, по донесению наземных войск, приземлился подбитый белогвардейский самолёт английского производства «Авро». Ильюшин и пять красноармейцев добрались до места вынужденной посадки самолёта, разобрали его, вытащили через непролазную грязь и увезли в Москву. Позднее на основе этого самолёта был разработан советский учебный биплан У-1.
Весной 1920 года Воронец и Раугевич получили назначение в авиационный парк Кавказского фронта в Саратов. Они добились перевода в Саратов Ильюшина. Сергей Владимирович стал старшим механиком и комиссаром 2-го авиационного парка Кавказского фронта. В авиапарке занимались ремонтом, восстановлением и испытанием самолётов перед отправкой на фронт.
Через некоторое время Ильюшин пишет рапорт с просьбой направить его во фронтовую часть Красной Армии. Вскоре Ильюшина вызвали в Москву, и в феврале 1921 года Сергей Владимирович был назначен начальником 15-го авиационного поезда 9-й Кубанской армии Кавказского фронта.
Осенью 1921 года авиапоезд Ильюшина был направлен в Москву, на усиление заново формирующихся частей. Перед отправлением в Москву Сергей Владимирович в беседе с начальником авиации Кавказского фронта Василием Владимировичем Хрипиным высказал желание поступить в Институт инженеров Красного Воздушного Флота. В. В. Хрипин поддержал его стремление получить высшее авиационное образование.
Учёба и работа в авиации
Сдав экзамены, 21 сентября 1921 года Сергей Владимирович был зачислен в Институт инженеров Красного Воздушного Флота (с 1922 года — Военно-воздушная Академия имени профессора Н. Е. Жуковского).
Во время учёбы Ильюшин активно участвовал в работе кружка планеристов Мастерских тяжёлой и осадной артиллерии. В 1923 году С. В. Ильюшин спроектировал свой первый планёр «Мастяжарт» (АВФ-3). Построив его вместе с участниками кружка, принял участие в Первом Всесоюзном слёте планеристов в Коктебеле в ноябре 1923 года. Позднее спроектировал и построил планёры «Рабфаковец» (АВФ-4) (1924), «Мастяжарт-2» (АВФ-5) (1924). А четвёртый планёр Сергея Владимировича «Москва» (АВФ-21) (1925) принял участие в Рёнских состязаниях планеристов в Германии в августе 1925 года (лётчик Константин Арцеулов).
Окончив Академию и защитив дипломный проект (посвящённый разработке самолёта-истребителя), приказом Реввоенсовета СССР № 750 за 1926 год С. В. Ильюшину было присвоено звание военного инженера-механика Воздушного Флота.
С июня 1926 по ноябрь 1931 года Сергей Владимирович работал председателем самолётной секции Научно-технического комитета ВВС, где занимался изучением мирового опыта самолётостроения, разработкой тактико-технических требований к новым самолётам. Под руководством Ильюшина были составлены технические требования к некоторым самолётам Николая Поликарпова (в том числе к У-2), Андрея Туполева, Дмитрия Григоровича. Также в 1930—31 годах Сергей Владимирович работал помощником начальника Научно-испытательного института ВВС по научно-технической части.
Работа в Научно-техническом комитете и Научно-испытательном институте ВВС была интересной, однако Ильюшин стремился начать собственную конструкторскую деятельность. Летом 1931 года Сергей Владимирович пишет рапорт с просьбой о переводе в авиационную промышленность, предварительно обсудив этот вопрос с начальником Всесоюзного авиационного объединения Петром Барановым.
Рапорт Ильюшина был рассмотрен, и с ноября 1931 года по январь 1933 года Сергей Владимирович возглавлял конструкторское бюро ЦАГИ.
В конце 1932 года Ильюшин предложил разделить конструкторское бюро ЦАГИ на две самостоятельные структуры: ЦКБ авиазавода № 39 им. В. Р. Менжинского для строительства лёгких самолётов и конструкторский отдел ЦАГИ, занимающийся разработкой тяжёлых самолётов. Предложение Сергея Владимировича было поддержано начальником Глававиапрома Петром Барановым и наркомом тяжёлой промышленности Григорием Орджоникидзе.
Приказом Глававиапрома от 13 января 1933 года было организовано Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) авиазавода им. В. Р. Менжинского, начальником которого был назначен Ильюшин. Одновременно Сергей Владимирович руководил конструкторской бригадой № 3. В сентябре 1935 года бригада Ильюшина была преобразована в Опытное конструкторское бюро авиазавода им. В. Р. Менжинского, а Сергей Владимирович стал Главным конструктором ОКБ.
