Артист эстрады, кино и театра, родился в Борисоглебске 2 января 1937 года в семье лётчика. В. Л. Ильченко окончил Борисоглебскую школу № 5 (1954 г.), затем учился в Одесском институте инженеров морского флота (1954–1959), где создал самодеятельный студенческий театр «Парнас-2». В это время он одновременно работал механиком по автопогрузчикам в Одесском морском порту, где познакомился с другим механиком, Михаилом Жванецким, позднее ставшим известным писателем-сатириком. Затем в театре они подружились с Романом Карцевым. Творческий союз с Р. Карцевым и М. Жванецким продлился более 30 лет.
С 1963 года Ильченко, Карцев и Жванецкий работали в Ленинградском театре миниатюр под руководством Аркадия Райкина, в котором у них была собственная программа. Всенародную популярность сценическому дуэту Виктор Ильченко — Роман Карцев принесли миниатюры, написанные М. Жванецким («А вас?», «Раки», «Ликеро-водочный завод», «На складе» и др.). В 1969 году Ильченко, Карцев и Жванецкий покинули Театр миниатюр, чтобы создать собственный — Одесский театр миниатюр при Одесской филармонии. Здесь артисты выпустили три концертных программы: «Как пройти на Дерибасовскую», «Встретились и разбежались», «Искренне ваш».
В 1970 году Карцев и Ильченко стали лауреатами четвертого Всесоюзного конкурса артистов эстрады (2-я премия). В 1979 году они переехали в Москву, где работали в Московском театре миниатюр (позднее театр «Эрмитаж»), а с 1988 года — в созданном М. Жванецким Московском театре миниатюр. 19 февраля 1990 года В. Л. Ильченко присвоено почетное звание заслуженного артиста РСФСР. Виктор Леонидович скончался 21 января 1992 года в возрасте 55 лет. Похоронен в Москве на Троекуровском кладбище.
Седьмого октября 2010 года на здании бывшей Александровской мужской гимназии (в настоящее время школа № 5) была открыта памятная доска в честь В. Л. Ильченко, который здесь учился. В церемонии открытия приняли участие Михаил Жванецкий и Роман Карцев.