Свою трудовую деятельность Даниил начал с 10 лет: пас коров, работал сторожем-табельщиком на угольных складах, железнодорожным рабочим. Параллельно с работой учился в двухклассной сельской школе и четырехклассном городском училище.
В 16 лет, решив, что пора начинать самостоятельную жизнь, Ильченко ушел из дома и устроился конторщиком на железной дороге в Харькове. Затем, сдав экзамены за 4 класса гимназии, в 1911 году поступил на вечернее отделение Харьковской частной театральной школы под руководством Н.Н. Синельникова с оплатой за обучение 100 рублей в год. Через три года, испытывая голод, нужду и насмешки со стороны студентов высших сословий, Ильченко все же окончил эту школу и был принят актером в труппу театра города Старый Оскол Курской области. Далее, с 1914 по 1929 годы, работал в театрах различных городов: Харькова, Херсона, Евпатории, Курска, Барнаула, Красноярска и других. Дважды призывался на военную службу - в 1917 и 1919 годах.
С 1932 года Даниил Ильченко жил и работал в Москве. Сначала один сезон, с 1932 по 1933 год, был актером историко-революционного театра, а в 1933 году был принят в труппу театра имени МОСПС (с 1938 года - театр имени Моссовета), где работал до 1942 года. Сыграл здесь Караваева в «Мятеже», генерала во «Врагах», Потанова в «Порте-Артуре» и другие роли.
С 1942 по 1946 годы Ильченко работал во фронтовом театре, был художественным руководителем и артистом театра классики при Московской филармонии, актером театра Санпросвета, актером и режиссером театра миниатюр. 9 октября 1946 года Даниил Иванович был принят в Московский драматический театр, на сцене которого сыграл более двух десятков ролей: матроса Куприянова («Профессор Полежаев»), Фому Мазаева («Там, где не было затемнения»), Русакова («Не в свои сани не садись»), Бессудного («На бойком месте»), Скудру («Синий фарфор»), Дерюгина («Светит да не греет»), Джона Кенти («Принц и нищий»), Гаврилу Пантелеевича («Женитьба Белугина») и другие.
Даниил Ильченко был прекрасным характерным актером. Его игре были присущи предельная простота, достоверность, сочетание мягкого юмора и психологической глубины образа.
Первой заметной работой в кино Даниила Ильченко стал Тимофей Тутаринов в «Кавалере Золотой Звезды». Но настоящая слава пришла к актеру после исполнения роли Пантелея Мелехова в фильме «Тихий Дон» Сергея Герасимова. Смотря на его героя на экране, совершенно не верится, что это актер, настолько был он убедителен и естественен в этой работе, ставшей настоящим украшением картины.
После успеха в «Тихом Доне», Даниил Иванович оставил театр и полностью перешел на работу в кино. Он продолжил на экране галерею простых русских мужиков и старых казаков, используя уже ранее найденные яркие актерские краски. Среди других его заметных киноролей: Егор Лыков («Простая история»), дед («Нахаленок»), Иван Дидух («Каменный крест»).
Ушёл из жизни 13 апреля 1977 года в Москве. Урна с прахом в 3-м колумбарии Николо-Архангельского кладбища.