Годы войны вместе с семьей провел в эвакуации в Сибири (отец был на фронте). В 1960 закончил ВГИК (руководители — Б.Волчек, С.Урусевский). Дебютировал как оператор в фильме Якова Сегеля «Прощайте, голуби» (1960). Работал на Ялтинской киностудии, с 1963 — на киностудии Довженко в Киеве. Мировую славу Ильенко принесла операторская работа в фильме С.Параджанова «Тени забытых предков» (1964).
Режиссёрские работы Ильенко принадлежат к школе украинского поэтического кино (Л.Осыка и др.). Они отмечены премиями на международных кинофестивалях.
Появлялся в нескольких фильмах как актёр («Улица Ньютона, дом один», 1963). Выставлялся также как художник.
В независимой Украине занимал радикально-националистическую политическую позицию — член ВО «Свобода».
Братья — Вадим Герасимович Ильенко, кинооператор, и Михаил Герасимович Ильенко, режиссёр.
Жена - Людмила Ефименко, в браке родились два сына, Филипп и Андрей.
С 1986 — заведующий кафедрой кинорежиссуры и кинодраматургии Киевского института театрального искусства им. Карпенко-Карого, профессор.
Народный артист Украины. Член Академии искусств Украины (1996).