В августе 1942 года Илья призван на службу в Рабоче-крестьянскую Красную Армию. Боевой путь начал на Воронежском фронте летом 1943 года, после окончания Рязанского пулемётного училища. В июле в сражении на Курской дуге получил первое ранение, после месячного лечения в госпитале снова на фронт.
В сентябре 1943 года младший лейтенант Илья Лимонов командовал пулемётным взводом 57-го стрелкового полка 309-й стрелковой дивизии 40-й армии Воронежского фронта. Особо отличился при форсировании Днепра. В ночь 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 Ильи Лимонова, большая часть из которых была ранена, но Лимонову с товарищами удалось удержать позиции до переправы основных сил. В бою Илья Дмитриевич заменил собой погибшего пулемётчика и вёл огонь по противнику, способствуя 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».
Дальнейший фронтовой путь Ильи Лимонова прошёл через Украину, Польшу, он был ещё дважды ранен, награждён медалью «За отвагу». В начале 1945 года в Восточной Пруссии Лимонов был снова тяжело ранен, контужен и демобилизован по ранению.
В 1948 году, после окончания Кировский механико - технологический техникума, работал на Кировском шинном заводе. В июне 1951 года Илья Дмитриевич повторно был призван в армию и направлен прорабом на дорожно-строительный участок Главного управления механизации Управления исправительно-трудовых лагерей на строительстве № 601. В 1955 году по состоянию здоровья вновь был уволен в запас.
Труженик и патриот нашей страны. Сорок лет Илья Дмитриевич жил и работал в нашем городе, большая часть его жизни связана с Северском - городом, ставшим для него родным.
В 1975 году окончил Томский государственный педагогический институт, работал в Северском городском комитете образования. Илья Дмитриевич был человеком ответственным и преданным делу. Активно занимался просветительской работой в Городском обществе «Знание», Городском Совете ветеранов войны и тружеников тыла.
Вёл активную общественную работу. Герой войны, он с радостью принимал участие во встречах со школьниками, рассказывая им, через что ему и всей нашей огромной Родине пришлось пройти, освобождая землю от фашизма. В его рассказах о войне не было трагических нот, он не любил жаловаться. В нашем городе сейчас живет и работает его племянник - Зайцев Олег Александрович, он вспоминает: "Илья Николаевич был удивительно скромным человеком, вообще в жизни никогда ничего для себя не просил".
Помимо общественной работы, у Ильи Дмитриевича были увлечения, которые остались с детства – он любил заниматься музыкой и живописью, любимым инструментом был баян.
Несмотря на его оптимизм, фронтовые раны часто напоминали о себе. Умер Илья Николаевич в июле 1991 года, похоронен на Аллее Славы Северского городского кладбища.
Лимонов И.Д. награждён орденом Отечественной войны 1-й степени и медалями.
Мемориальные доски в честь Героя Советского Союза установлены в городе Киров на здании Вятского гуманитарного университета, в городе Северске на доме № 5 по ул. Царевского, где жил Илья Дмитриевич.
