Один из двух лауреатов Нобелевской премии по химии российского происхождения (второй — Николай Семёнов).
В 1921 году семья эмигрировала из Советской России сначала в Литву, а через год обосновалась в Берлине. Однако в 1929 году, с ростом антисемитских настроений в Германии, Пригожины решили поселиться в Бельгии, где Илья в 1941 году окончил Брюссельский университет.
С 1961 по 1966 год Пригожин сотрудничал с институтом Ферми в Чикаго. В 1967 году в городе Остин Пригожин основал Центр по изучению сложных квантовых систем (англ. Center for Complex Quantum Systems), которым руководил до конца жизни.
Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике необратимых процессов. Одно из главных достижений заключалось в том, что было показано существование неравновесных термодинамических систем, которые, при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (диссипативные структуры). Причём такой скачок не может быть предсказан, исходя из классических законов статистики. Такие системы позже были названы его именем. Расчёт таких систем стал возможен благодаря его работам, выполненным в 1947 году.
Доказал одну из основных теорем термодинамики неравновесных процессов — о минимуме производства энтропии в открытой системе. Ввёл (в работе «The Rediscovery of Time») термин «переоткрытие времени», определяющий проблему объяснения существования явления времени.
В 1982 году Пригожин становится иностранным членом Академии наук СССР. Его работы многократно переводились на русский язык. К его работам обращаются многие ученые, не только физики и химики, но и биологи, палеонтологи и математики, историки, филологи.
В 1989 году король Бельгии пожаловал Пригожину титул виконта.