Narodil sa 18. januára 1907 v Šarišskom Štiavniku. Pochádzal z rodiny gréckokatolíckeho farára rusínskej národnosti, ktorému záležalo na veľmi dobrom vzdelaní svojich detí. Dvaja jeho synovia a dcéra študovali na Karlovej univerzite v Prahe, čo iste nemálo zaťažilo rodinný rozpočet. Starší syn Mikuláš pôsobil ako profesor na priemyselnej škole v Prešove a Dionýz sa stal zakladateľom fyziky na Slovensku.

Po maturite na Československom reálnom gymnáziu v Prešove odišiel Dionýz Ilkovič študovať do Prahy. Začal na strojníckom a elektrotechnickom odbore ČVUT, ale po roku prestúpil na Prírodovedeckú fakultu Karlovej univerzity. Počas štúdia (1925 - 1929) sa jeho záujem sústreďoval hlavne na chémiu a fyziku, ale navštevoval tiež veľa prednášok, cvičení a seminárov z matematiky. V roku 1930 získal vysvedčenie učiteľskej spôsobilosti z chémie pre vyššie a z matematiky a fyziky pre nižšie triedy gymnázií. Keď mal v druhej polovici tridsiatych rokov problémy so zháňaním miesta, rozšíril si učiteľskú spôsobilosť o aprobáciu na vyučovanie fyziky pre vyššie triedy gymnázií (1937).

Už počas štúdia začal D. Ilkovič pracovať v laboratóriu prof. Jaroslava Heyrovského a pod jeho vedením vypracoval počas pobytu na Chemickom ústave KU (1930 - 1932) aj dizertačnú prácu Štúdium ortuťovej kvapkovej katódy pri elektrolytickom rozklade vody. Po jej obhájení získal titul RNDr. (1932). Keďže sa na Heyrovského ústave nepodarilo zabezpečiť mladému nádejnému vedcovi asistentské miesto, D. Ilkovič učil chémiu a fyziku na rôznych pražských gymnáziách a reálkach. Popritom pracoval naďalej v ústave a podieľal sa na vypracovaní teoretických základov polarografie.

Najvýznamnejším výsledkom tohto úsilia bolo odvodenie vzťahu medzi polarografickým difúznym prúdom, koncentráciou roztoku a charakteristikami kvapkovej ortuťovej elektródy, známeho ako Ilkovičova rovnica. Hoci v ďalších rokoch mnohé kolektívy tento vzťah preverovali, v skúške času obstál. Ako ukázali nedávne výskumy, jeho článok, v ktorom bola rovnica odvodená, je najcitovanejšou prácou slovenského vedca. Za svojho pražského pobytu Dionýz Ilkovič uverejnil 9 samostatných vedeckých prác a 4 so spoluautormi. Z prehľadu citácií vyplýva, že do roku 1939 bolo šesť jeho prác citovaných 55 ráz, z toho iba na hlavnú prácu obsahujúcu Ilkovičovu rovnicu sa vedci z celého sveta odvolávali 24 ráz. V školskom roku 1937 - 1938 Ilkovič absolvoval študijný pobyt vo Fyzikálno-chemickom ústave parížskej univerzity u prof. R. Auduberta. Tu sa venoval štúdiu ultrafialového žiarenia pomocou fotoelektrických počítačov. Na tieto práce nadviazal v rokoch 1947–1948 Štefan Luscoň vo svojej doktorskej dizertácii Štúdium fotocely s vrstvou jodidu meďného, ktorú vypracoval pod Ilkovičovým vedením.
Ešte počas parížskeho pobytu prof. Heyrovský odporúčal Dionýzovi Ilkovičovi, aby sa habilitoval. Hoci mladý vedec spočiatku váhal, okolnosti ho prinútili, aby konal. Impulzom bola situácia, v ktorej sa Ilkovič ocitol po vyhlásení autonómie Slovenska. 31. 12. 1938 ho totiž Ministerstvo školstva a osvety v Prahe prepustilo zo štátnych služieb. Následne ho slovenské Ministerstvo školstva a národnej osvety (MŠANO) vyzvalo, aby od 1. februára 1939 nastúpil službu na Štátnej slovenskej reálke v Bardejove. Ilkovič však v januári 1939 požiadal o pripustenie k habilitačnému pokračovaniu na KU v Prahe a na základe toho požiadal aj MŠANO, aby ho ponechali v českej metropole. V priebehu roku 1939 zasadala habilitačná komisia, vypracovali sa posudky a 26. 10. 1939 sa konalo habilitačné kolokvium. Záverečná časť pokračovania – habilitačná prednáška – bola stanovená na 17. novembra 1939. Pre známe príčiny sa nekonala. Po vojne Dionýz Ilkovič, v tom čase už riadny profesor fyziky tak na SVŠT, ako aj na PFSU, požiadal o dokončenie habilitácie. Napokon 3. mája 1946 profesorský zbor PFKU udelili Dionýzovi Ilkovičovi veniam docendi pre odbor fyzikálna chémia. Pre úplnosť treba dodať, že napriek tomu D. Ilkovič neohlasoval na Karlovej univerzite nijaké prednášky.

Na jeseň 1939 Slovenská vysoká škola technická, založená v roku 1937, ponúkla Dionýzovi Ilkovičovi post profesora technickej fyziky, pretože jeho predchodca profesor Josef Sahánek sa solidarizoval s osudom tisícok Čechov, ktorí boli nútení opustiť Slovensko a vrátil sa do Brna. Ilkovič ponuku prijal a po splnení formalít ho na návrh profesorského zboru SVŠT MŠANO 19. 2. 1940 vymenovalo za mimoriadneho profesora technickej fyziky. O týždeň nato D. Ilkovič nastúpil na miesto prednostu Ústavu technickej fyziky SVŠT.

V Bratislave Dionýz Ilkovič konal základné prednášky z fyziky a viedol k nim cvičenia i laboratórne práce. Po zriadení Prírodovedeckej fakulty Slovenskej univerzity bol v októbri 1940 vymenovaný za mimoriadneho nehonorovaného profesora fyziky PFSU, takže sa jeho beztak veľké zaťaženie ešte zvýšilo. Keďže mal len jedného asistenta (Dezidera Tomkuljaka), pribral si na pomoc poslucháča druhého ročníka Imricha Staríčka a neskôr aj ďalších (V. Hajko, V. Kellö). Takto vlastne D. Ilkovič pripravoval novú generáciu slovenských vysokoškolských pedagógov. Popri tom prednášal na PFUK aj chémiu a fyzikálnu chémiu.
K výchove novej generácie fyzikov a chemikov prispeli aj Fyzikálno-chemické rozhovory, ktoré viedol na PFSU spolu s profesorom chémie F. Valentínom. Bola to kombinácia vedeckého seminára a seminára, ktorý si zapisovali študenti. Diskutovalo sa na nich o najrozmanitejších problémoch vtedajšej fyziky i chémie. Jednu prednášku tu mal počas svojej návštevy v Bratislave v marci 1943 aj zakladateľ kvantovej mechaniky a nositeľ Nobelovej ceny W. Heisenberg, ktorého v rámci spolupráce medzi Slovenskou univerzitou a univerzitou v Lipsku pozval do Bratislavy práve prof. Ilkovič.

Vzhľadom na mimoriadne pracovné zaťaženie administratívnymi, organizačnými a pedagogickými povinnosťami, ustúpila do úzadia vedecká činnosť D. Ilkoviča. Po príchode do Bratislavy uverejnil iba monografiu Polarografia, čo bola vlastne jeho posledná vedecká práca.
Prof. Ilkovič sa usiloval modernizovať výučbu na PFSU. Preto v roku 1941 vyvinul nemalé úsilie, aby získal do Bratislavy súkromného docenta dr. Viléma Kunzla, ktorý patril medzi špičkových európskych odborníkov v röntgenoskopii. Nemecké úrady však nemali pre tieto snahy pochopenie a nedali súhlas na Kunzlov prechod z protektorátu na Sl ovensko. Ilkovič sa nevzdal a v roku 1942 podal návrh na zriadenie Ústavu atómovej fyziky PFSU, ktorý mal zabezpečovať prednášky z fyziky pre poslucháčov PFSU – tí v tom čase navštevovali prednášky z fyziky pre poslucháčov SVŠT. MŠANO však návrh odmietlo s odôvodnením, že fakulta nemá riadneho profesora fyziky. Preto sa vytvoril ústav iba ako oddelenie Ústavu technickej fyziky SVŠT pre potreby poslucháčov PFSU.
Ilkovičovo úsilie bolo korunované úspechom až o dva roky neskôr. Po tom, čo sa v roku 1943 sa stal riadnym profesorom fyziky SVŠT a v auguste 1944 aj riadnym nehonorovaným profesorom fyziky PFSU, bol 26. augusta zriadený Fyzikálny ústav PFSU a D. Ilkovič sa stal jeho prednostom. K úspechu pravdepodobne prispela aj skutočnosť, že už od roku 1942 D. Ilkovič zastával funkciu dekana PFSU, v ktorej vytrval až do oslobodenia Bratislavy, keď z tejto funkcie odstúpil.


Po vojne sa rozsah Ilkovičovej pedagogickej činnosti ešte rozšíril. Na Lekárskej fakulte SU konal prednášky a viedol cvičenia z lekárskej fyziky a dočasne bol prednostom Ústavu lekárskej fyziky LFSU. Keď k tomu prirátame prednášky, cvičenia a semináre, ktoré viedol na technike i na Prírodovedeckej fakulte. Preto opäť podnikol kroky, aby dostal do Bratislavy doc. dr. V. Kunzla. Po dvoch rokoch prieťahov sa napokon vo februári 1948 prof. dr. Vilém Kunzl stal prednostom Fyzikálneho ústavu PFSU a prevzal hlavné bremeno pedagogickej činnosti z fyziky. V roku 1951 Dionýz Ilkovič definitívne prestal prednášať na Prírodovedeckej fakulte a plne sa venoval svojmu pracovisku na SVŠT.

Začiatkom päťdesiatych rokov vynaložil Dionýz Ilkovič veľa úsilia na založenie Slovenskej akadémie vied a aj ČSAV. Po uzákonení SAV 18. júna 1953 bol vymenovaný za riadneho člena – akademika SAV a stal sa vedeckým tajomníkom SAV. Okrem toho bol podpredsedom matematicko-fyzikálnej sekcie ČSAV a predsedom komisie pre matematiku a fyziku SAV. Z tejto komisie vznikol najprv v roku 1955 Kabinet fyziky SAV (s dvoma zamestnancami), v roku 1958 Laboratórium fyziky SAV (malo 20 zamestnancov) a 1. 1. 1963 Fyzikálny ústav SAV (so 60 zamestnancami). Dionýz Ilkovič toto pracovisko nielen založil a zveľaďoval, ale do roku 1961 aj stál na jeho čele.

Dionýz Ilkovič stál pri zrode troch základných fyzikálnych pracovísk na Slovensku: Ústavu technickej fyziky SVŠT, Fyzikálneho ústavu Prírodovedeckej fakulty Slovenskej univerzity a Fyzikálneho ústavu SAV. Z nich sa postupne vyvinuli prakticky všetky ďalšie fyzikálne pracoviská. Keď k tomu prirátame jeho pedagogické pôsobenie a skutočnosť, že vychoval prvých fyzikov a svojich asistentov, je zrejmé, že sa právom pokladá za zakladateľa slovenskej fyziky. Na rozvoji slovenskej fyziky sa podieľal aj v neskorších rokoch.

Bol vedúcim Katedry fyziky Elektrotechnickej fakulty SVŠT, predsedom Vedeckého kolégia fyziky SAV, predsedom Národného komitétu pre čistú a aplikovanú fyziku, členom predsedníctva Slovenskej komisie pre udeľovanie vedeckých hodností. Neslobodno zabúdať, že bol tiež hlavným redaktorom vedeckého časopisu SAV (od jeho založenia v roku 1957).

Osobitnou kapitolou Ilkovičovej činnosti bola prvá slovenská vysokoškolská učebnica fyziky, ktorá v rokoch 1957 - 1971 vyšla v piatich vydaniach v celkovom náklade 40 000 výtlačkov. Bola to moderná učebnica fyziky, dôsledne písaná vektorovým počtom, ktorá obsiahla hlavné oblasti fyziky. Hoci bola určená pre poslucháčov techniky, a pôvodne pre tých, čo navštevovali Ilkovičove prednášky, používala sa aj na Prírodovedeckej fakulte.

V marci 1976 Prof. Ilkovič odišiel do dôchodku. Aj potom sa živo zaujímal o dianie vo fyzike, na katedre i v celej fyzikálnej komunite. Jeho zdravie podlomené vyčerpávajúcou prácou stále viac a viac vypovedávalo, až v auguste 1980 vypovedalo úplne.

O dva roky nato (1982) predsedníctvo SAV zriadilo čestnú plaketu Dionýza Ilkoviča za zásluhy vo fyzikálno-chemických vedách. Pred niekoľkými rokmi vznikla Nadácia Dionýza Ilkoviča na podporu nadaných študentov. Keď v Mlynskej doline v Bratislave vzniklo „akademické mestečko“, kde sídlia Elektrotechnická fakulta SVŠT, Matematicko-fyzikálna fakulta i Prírodovedecká fakulta UK, teda niekdajšie Ilkovičove pôsobiská, Národný výbor hl. mesta Bratislavy pomenoval ulicu vedúcu k tomuto areálu Ilkovičova ulica.

Zomrel 3. augusta 1980 v Bratislave.

V pondelok 7. januára 2008 v budove Chemického ústavu SAV slávnostne odhalili pamätný reliéf tomuto zakladateľovi slovenskej fyziky.