Родился 27 июля 1924 года в деревне Чуваши (ныне — Кирово-Чепецкий район Кировской области).
Лейтенант Советской Армии, участник Великой Отечественной войны, Герой Советского Союза.
В августе 1942 года Лимонов был призван на службу в Рабоче-крестьянскую Красную Армию. В мае 1943 года он окончил рязанское пулемётное училище. С июня того же года — на фронтах Великой Отечественной войны. В боях три раза был тяжело ранен.
К сентябрю 1943 года младший лейтенант Илья Лимонов командовал пулемётным взводом 957-го стрелкового полка 309-й стрелковой дивизии 40-й армии Воронежского фронта. Отличился во время битвы за Днепр. В ночь с 23 на 24 сентября 1943 года взвод Лимонова, несмотря на массированный вражеский огонь, одним из первых переправился через Днепр в районе села Балыко-Щучинка Кагарлыкского района Киевской области Украинской ССР и принял активное участие в боях за захват и удержание плацдарма на его западном берегу, захватил важную высоту. В результате тех боёв из 500 бойцов и командиров, входивших в штурмовую группу, на следующий день осталось лишь 85. После отражения шести ожесточённых контратак в строю осталось лишь 42 бойца под командованием Лимонова, большая часть из которых была ранена. Тем не менее, Лимонову с товарищами удалось удержать позиции до переправы основных сил. В боях за Балыко-Щучинку Лимонов заменил собой погибшего пулемётчика и вёл огонь по противнику, способствовав успешному наступлению.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 октября 1943 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство» младший лейтенант Илья Лимонов был удостоен высокого звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
После окончания войны Лимонов был уволен в запас. В 1948 году он окончил Кировский механико-технологический техникум, после чего работал на Кировском шинном заводе. В июне 1951 года Лимонов повторно был призван в армию и направлен прорабом на дорожно-строительный участок Главного управления механизации Управления исправительно-трудовых лагерей на строительстве № 601 (стройка Сибирского химического комбината). В 1955 году по состоянию здоровья он вновь был уволен в запас. Проживал и работал в городе Томск-7 (ныне — Северск Томской области). В 1975 году Лимонов окончил Томский государственный педагогический институт, после чего работал в Северском городском комитете образования. Умер 4 июля 1991 года, похоронен на Аллее Славы Северского городского кладбища.
Был также награждён орденом Отечественной войны 1-й степени и рядом медалей.
Мемориальные доски в честь Героя установлены в городе Киров на здании Вятского гуманитарного университета и в городе Северск Томской области на доме, в котором он жил.