Модест Михайлович Ильин родился 17 октября 1889 года в городе Гура-Кальвария Варшавской губернии. Семья переехала в Красноярск, где Модест получил начальное образование. Под влиянием директора Красноярского музея А. Я. Тугаринова стал интересоваться естественными науками, в особенности ботаникой. В 1909 году поступил на медицинский факультет Томского университета. Там он посещал лекции известного ботаника В. В. Сапожникова.
В 1912 году Ильин переехал в Санкт-Петербург, решив продолжить обучение на отделении естественных наук физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета. Работал также ассистентом В. Л. Комарова и Б. А. Федченко в Гербарии Петербургского университета (ныне — гербарий Ботанического института РАН). В 1916 году Модест Михайлович окончил Петербургский университет и стал хранителем в Гербарии.
Модест Михайлович Ильин длительное время преподавал в Ленинградском университете, однако постоянно занимался и исследованиями. Он был автором обработки многих родов растений для многотомной монографии «Флора СССР». В 1935 году Ильин получил степень доктора биологических наук без защиты диссертации.
М. М. Ильин — автор множества работ по флоре Средней Азии, описал большое количество новых видов из самых разнообразных семейств растений.