В ночь с 25 на 26 сентября 1943 года переправился через Днепр и принял активное участие в захвате плацдарма и высоты на его западном берегу. На следующий день немецкие войска предприняли ряд контратак. В том бою лично вынес с поля боя 30 получивших ранения бойцов и командиров. Участвовал в боях за близлежащую высоту, лично уничтожив около 5 немецких солдат. 16 ноября 1943 года Н. С. Ильин погиб при попытке вынести с поля боя раненого. Похоронен в селе НаталовкаСолонянского районаДнепропетровской областиУкраины[1].
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 19 марта1944 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм» гвардии красноармеец Николай Ильин посмертно был удостоен высокого звания Героя Советского Союза. Также посмертно был награждён орденами Ленина и Красного Знамени[1].
Ильин Николай Сергеевич // Герои Советского Союза: Краткий биографический словарь / Пред. ред. коллегии И. Н. Шкадов. — М.: Воениздат, 1987. — Т. 1 /Абаев — Любичев/. — 911 с. — 100 000 экз. — ISBN отс., Рег. № в РКП 87-95382.
Герои огненных лет: Очерки о Героях Советского Союза — ярославцах / сост.: И. И. Сидоров, Б. П. Румянцев; предисл. А. Еременко. — 3-е изд. — Ярославль: Верхне-Волжское книжное издательство, 1985. — С. 161-162. — 455 с. — (Сорокалетию Великой Победы посвящается). — 50 000 экз.
Кузьмин М. К. Медики—Герои Советского Союза. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Медицина, 1970. — С. 118—119. — 233 с.
Сатрапинский Ф. В. Военные медики — Герои Советского Союза / Центральное военно-медицинское управление Министерства обороны СССР; отв. ред. Е. Ф. Селиванов. — Л.: Военно-медицинский музей МО СССР, 1975. — С. 59. — 103 с.