Илья Ульянов рано лишился отца, воспитывался попечением старшего брата, Василия Николаевича.
Окончил Астраханскую гимназию с серебряной медалью в 1850 году и физико-математический факультет Казанского университета в 1854 году со степенью кандидата математических наук (с отличием).
По окончании университета И. Н. Ульянов начал работать старшим учителем математики в Пензенском дворянском институте с заведованием институтской метеорологической станцией.
В 1863 году вступает в брак с Марией Александровной Бланк и переводится старшим учителем математики и физики в Нижегородскую мужскую гимназию, одновременно работая преподавателем и воспитателем в других учебных заведениях Нижнего Новгорода.
В 1869 году И. Н. Ульянов получает назначение на должность инспектора народных училищ Симбирской губернии, затем, в 1874 году — директора народных училищ Симбирской губернии.
Н. К. Крупская в своих воспоминаниях отмечала, что «как педагог, Илья Николаевич особенно усердно читал Добролюбова»
Илья Николаевич Ульянов умер, состоя на службе, от кровоизлияния в мозг на 55-м году жизни (совпадение: его второй сын Владимир умрёт от этого же заболевания в возрасте почти 54 лет). Похоронен на кладбище Покровского монастыря г. Симбирска
