С 1988 по 1998 года тренировался в СДЮШОР ХК «Лада». Профессиональную карьеру начал в сезоне 1998/99 защищая ворота фарм-клуба «Лада-2». Сезон 1999/00 начал в воротах московского «Спартака», однако уже через 10 игр перебрался в основной состав «Лады», где и провёл полтора сезона.
В 2000 стал обладателем приза Лучший новичок сезона.
Карьеру НХЛ Илья начал не очень удачно. За 4 года с 2001 по 2004 он провёл за Анахайм Дакс всего два неполных матча, все остальное время играя в АХЛ за "Цинциннати", фарм-клуб Анахайма. Из-за локаута в НХЛ провёл сезон 2004/05 также в АХЛ, т.к. его в Россию не отпустило руководство.
Начиная с сезона 2005/06 Илья прочно входит в основной состав команды вторым вратарём, принимая участие в том числе и в играх плей-офф. В сезоне 2006/07 завоевывает с командой Кубок Стэнли. Начал успешно сезон 2007/08, однако в ноябре был выставлен на драфт отказов и переехал в Финикс, где являлся основным вратарём в течение 4 лет и 2 раза выходил с командой в плей-офф после 8 лет перерыва. В сезоне 2009/2010 был номинирован на "Везина трофи" - приз лучшему вратарю по мнению генеральных менеджеров клубов НХЛ, но лучшим был выбран вратарь "Баффало Сейбрс" Райн Миллер. В 2011 году, за месяц до истечения контракта обменян «койотами» в «Филадельфию». Взамен «летчики» отдали нападающего Мэтта Кларксона и два выбора на драфте-2012. Илья Брызгалов подписал контракт с "Филадельфией" сроком на девять лет и сумму $ 51,5 миллиона. В Флайерз выступает вместе с другим российским вратарём - Сергеем Бобровским.
Защищает цвета российской сборной с 2000 года, когда на молодёжном чемпионате мира завоевывает серебряные медали. Тогда же, в 2000 году провёл за сборную 5 матчей на чемпионате мира в Санкт-Петербурге. Помимо этого сыграл в 2 матчах шведского этапа Евротура и 2 товарищеских матчах.
В 2002 году становится бронзовым призёром Олимпийских игр в Солт-Лейк-Сити.
В 2004 сыграл 2 игры за сборную на московском этапе Евротура, где признаётся лучшим вратарём. На Кубке мира защищал ворота в 3 матчах.
В 2006 году играл за сборную на Олимпийских играх в Турине. В первом матче сборная России проиграла команде Словакии со счетом 3-5. Выяснение причин поражения привело к конфликту между Ильей Брызгаловым и тренером Владимиром Крикуновым, в результате больше на лёд в этом турнире Илья не выходил.
Был основным вратарём сборной на ЧМ-2009, где провёл 7 игр и стал чемпионом мира. Также сыграл в 1 товарищеском матче перед турниром.
На Олимпиаде в Ванкувере сыграл в 2 играх.
На данный момент имеет в своём активе 25 игр за национальную сборную.
Жена — Евгения, сын — Владислав (2006 г.р.), дочь — Валерия (2004 г.р.).