Родился в 1894 году в семье рабочего-революционера С. Я. Аллилуева. Сестра — Аллилуева, Надежда Сергеевна.
Участник Гражданской войны. В 1921 году участвует в боях против банд Антонова и Булак-Булаховича, В 1922 году против басмачей на Бухарском фронте. Один из создателей и руководителей Главного автобронетанкового управления РККА, заместитель начальника управления по политической части.
В начале 1920-х годов был участником экспедиции Николая Урванцева на Дальний Север, открывшей большие залежи руды на реке Норилке, где позже возник город Норильск.
В 1929—1932 годах работал в Берлине, осуществляя контроль качества самолетов и двигателей, закупаемых по секретным контрактам, заключенным между СССР и Германией. В Москву семья вернулась весной 1932 года.
Умер от инфаркта на рабочем месте в своём кабинете 2 ноября 1938 года[2], на следующий день после возвращения с юга из санатория[3]. Уже тогда подозревалось, что он был отравлен[4].
Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (1 участок, 43 ряд, 30 могила)[5], недалеко от могилы своей сестры Надежды, похороненной в 1932 году. На его могиле стоит памятник работы скульптора Сергея Меркурова с барельефом танка. В 1974 году рядом была похоронена жена Евгения Александровна[4].