Дмитрий Ильченко родился 9 июля 1996 года в украинском городе Мироновка Киевской области.
В 2009 году стал заниматься гандболом на базе БВУФК в Броварах[1].
Играет в гандбол на позиции линейного. В 2014 году дебютировал в чемпионате Украины в составе ЗНТУ-ЗАС из Запорожья. В 2017 году перешёл в донецкий «Донбасс», в составе которого в 2018 году стал бронзовым призёром чемпионата и Кубка Украины, после чего вернулся в Запорожье. В составе ЗТР в 2019 году завоевал серебро чемпионата и Кубка Украины[1].
В 2020 году перешёл в московский ЦСКА. В его составе в сезоне-2020/21 стал серебряным призёром чемпионата России и бронзовым призёром Кубка России[1].