1931年，伊柳辛被调到中央飞机设计局担任局长，正式开始了他的飞机设计工作。其实，在茹科夫斯基空军工程学院学习期间，他就开始设计制造滑翔机了。他的滑翔机还多次参加了在克里木举行的滑翔机比赛。
1933年，伊柳辛主持组建了独立的飞机设计局，并担任总设计师。该局主要从事轰炸机、强击机和大型旅客机的设计。伊柳辛设计局设计的第一架飞机是ДБ－3(ЦКБ－26)型轰炸机。它的试飞结果非常理想，性能不亚于当时其他国家的同类型产品。该机于1936年8月装备苏联空军，并曾在当年五一劳动节的活动中，在红场上空做了精采的飞行表演。
伊柳辛是从该局设计的第二架飞机——伊尔－2强击机开始闻名的。伊尔－2强击机于1939年设计制造，它具有独特的射击－轰炸武器系统，能携带专门的反坦克炸弹，机身装有防护装甲。卫国战争期间，该机共生产了36，163架。后来，该局又设计了伊尔－10强击机。同时，该局仍继续进行着轰炸机的设计制造工作，并于1940年和1943年分别制成了双发远程轰炸机伊尔－4和伊尔－6，有力地支援了前线作战。伊尔型强击机是卫国战争中参战数量最多的飞机，在粉碎德军的战斗中发挥了巨大的作用。苏联的《真理报》当时曾评价道：“伊柳辛的飞机不仅是航空科学的成就，而且还是重大的战术发明。”
战争后期，伊柳辛设计局开始研制喷气式轰炸机。1946年，研制的第一架喷气式轰炸机伊尔－22开始试飞，它装有四台涡轮喷气发动机。1948年，该局又设计制造了苏联第一架喷气式前线轰炸机伊尔－28，它装有两台离心式涡轮喷气发动机，采用平直上单翼，时速为900公里。在设计该机时，设计师尽量使飞机的尺寸小一些，重量轻一些，而载弹量大一些。以后，伊柳辛设计局又设计制造了伊尔－46和伊尔－54轰炸机。伊尔－46和伊尔－28在外形上没有什么区别，但最大航程可达5，000公里，最大载弹量为6吨，时速为930公里。伊尔－54和以前的飞机区别较大，机翼后掠角为55°，采用自行车式起落架。同时，第一架后掠翼喷气式强击机伊尔－40也顺利地通过了国家鉴定。但是，在伊尔28之后，该局设计的军用机没有被投入使用，因为在战争后期，苏联政府已决定各航空设计局进行专门化生产，伊柳辛设计局被指定专门研制旅客机。
