Окончил факультет журналистики Дальневосточного государственного университета. Первый опыт на телевидении — в местной телекомпании «РВК» (Российская Вещательная Корпорация). Работал в ТГТРК «Владивосток».
В год окончания университета получил предложение попробовать силы на НТВ. В 1995 году стал директором Дальневосточного бюро НТВ. С 2000 года работал в Москве на телеканале НТВ, но после конфликта, связанного со сменой руководства телеканала по инициативе собрания акционеров «Газпрома», перешёл с многими другими коллегами на телеканал ТВ-6, позже ТВС. После закрытия ТВС снова вернулся на НТВ.
Илья Зимин — один из ведущих программы «Профессия — репортер». Автор и ведущий документальных фильмов из цикла «Новейшая история». Лауреат «ТЭФИ—2002» в номинации «Лучший телерепортер».
26 февраля 2006 года был убит при невыясненных обстоятельствах. Смерть наступила вследствие черепно-мозговой травмы затылочной части головы. Накануне убийства журналист был в ночном клубе. В квартире на столе оперативники обнаружили начатую бутылку водки. Из квартиры, предположительно, не пропали какие-либо ценные вещи, поэтому следователи отвергают версию об ограблении. Также маловероятна версия об убийстве в связи с профессиональной деятельностью. В качестве основной версии выдвигалась бытовая ссора, однако арестованный 23 июня 2006 года в Молдавии обвиняемый отрицал свою вину. Задержанный Игорь Вельчев в свое оправдание заявил, что Зимин обращался к нему «с предложениями вступить в половую связь», в ответ на что Вельчев «сильно оттолкнул его и вышел».
25 декабря 2007 года Окницкий районный суд Молдавии полностью оправдал Игоря Вельчева.
Илья Зимин похоронен на центральном кладбище Хабаровска.