Llicenciat en filosofia per la Universitat de Barcelona (1986), cursà un màster de gestió i direcció d’empreses a l’IESE (1993). Afiliat al PSC (1995), partit del qual en el període 2011-16 fou coordinador de grup al ple municipal de Barcelona, i des del 2016 secretari d’organització. La seva trajectòria en l’administració pública comprèn el període 1995-2005 com a alcalde de la Roca del Vallès, la direcció general de Gestió d’Infraestructures del Departament de Justícia de la Generalitat de Catalunya (2005-09) en l’última etapa de la presidència de Pasqual Maragall i en la presidència de Josep Montilla i, a l’Ajuntament de Barcelona, els càrrecs de director de l’Àrea de Gestió Econòmica (2010-11) i de gerent d’Empresa, Cultura i Innovació (2016). Ha estat també professor associat de la Facultat de Comunicació i Relacions Internacionals a Blanquerna.
El 13 de gener de 2020 fou nomenat ministre de Sanitat del govern espanyol presidit per Pedro Sánchez. Des d’aquest càrrec, el març d’aquest any li foren conferits amplis poders per a dirigir i gestionar les mesures excepcionals per a combatre la pandèmia de la COVID-19. El gener del 2021 Pedro Sánchez el substituí al capdavant del ministeri de Sanitat per Carolina Darias. Illa encapçalà aleshores la candidatura del PSC a les eleccions al Parlament de Catalunya que se celebraren el 14 de febrer i que guanyà amb un 23,03% dels vots i 33 diputats, encara que no pogué formar govern i es convertí en cap de l’oposició.
Cap de llista un altre cop pel PSC a les eleccions al Parlament de Catalunya del 2024 celebrades el 12 de maig, fou el guanyador dels comicis amb un 27,96% dels vots i 42 diputats. El 8 d’agost fou elegit president de la Generalitat de Catalunya amb el suport de Comuns Sumar i Esquerra Republicana de Catalunya.