Народився 6 серпня 1975 року, м.Москва.
У школі Пономарьов був піонерським активістом, ставши до 1990 року заступником голови Московського міського піонерського штабу з ідеології. Одночасно з навчанням у школі у 1989-1991 роках Пономарьов працював (на громадських засадах) програмістом в Інституті проблем безпечного розвитку атомної енергетики Академії наук СРСР, у якому у 1988-1991 роках його батько обіймав посаду заступника директора.
У 1991 році Пономарьов став одним із творців компанії "Руспрофі Лтд.", яка займалася створенням замовних комп'ютерних систем та торгівлею персональними комп'ютерами; з грудня 1991 року до березня 1995 року він був її генеральним директором. Паралельно у 1992-1996 роках Пономарьов навчався на фізичному факультеті Московського державного університету (МДУ), де отримав ступінь бакалавра, але у 1996 році пішов із середини четвертого курсу. В Інституті прикладної психології він у 1995 році отримав диплом за спеціальністю "психодіагностика".
До 1995 року команда "Русспрофі" увійшла до російсько-американського спільного підприємства International Network Connections (INC), яке працювало у сфері системної інтеграції. У березні того ж року Пономарьов став комерційним, а 1996 року – і виконавчим директором підприємства. У листопаді 1996 року Пономарьов отримав посаду директора з розвитку бізнесу в країнах СНД міжнародної корпорації Schlumberger, яка надавала послуги нафтовим компаніям у сфері сучасних технологій нафтовидобутку.
У 1998-2001 роках Пономарьов обіймав посаду директора дирекції інформаційних технологій нафтової компанії "ЮКОС".Поряд із цим, у 1999-2001 роках він був віце-президентом компанії "ЮКОС ЕП", яка здійснювала управління розвідкою та видобутком ПК, а в 1999-2000 роках був віце-президентом "дочки" "ЮКОСу" - Сибірської Інтернет Компанії (Сібінтек).
У 2000-2001 роках Пономарьов очолював компанію ARRAVA Internet Management, що підтримувалася "ЮКОСом".
У 2002-2003 роках обіймав посаду віце-президента з державних органів та стратегічного розвитку компанії IBS.
У 2002 році Пономарьов вступив до Комуністичної партії Російської Федерації (КПРФ) і з червня 2002 року по січень 2004 року був директором інформаційно-технологічного центру Центрального комітету партії. Крім того, 2003 року Пономарьов став директором Центру нової політики створеного економістом Михайлом Делягіним Інституту проблем глобалізації.
2004 року Пономарьов виступив одним із організаторів та керівників Молодіжного лівого фронту, а влітку 2005 року увійшов до складу ініціативної групи, яка проголосила створення нового ліворадикального руху "Лівий фронт" (ЛФ). У жовтні 2005 року на установчій конференції московської регіональної організації ЛФ Пономарьов був обраний до її Московської ради (Мосрада), і цього часу фактично виступав як неформальний лідер ЛФ.
У 2006 році на тлі негативного ставлення КПРФ до діяльності "Лівого фронту" Пономарьов вийшов із партії. У тому ж році Пономарьов увійшов до робочого комітету Союзу координаційних рад, який згодом об'єднав "велику частину позасистемних лівих".
2006 року Пономарьов став заступником керівника створеного за підтримки Міністерства інформаційних технологій та зв'язку некомерційного громадського фонду РІО-центр (Центр розвитку інформаційного суспільства, президент - Ігор Юргенс), який розробляв "сценарії соціально-економічного розвитку країни". Восени того ж року Пономарьов став головою Центру територіального розвитку при Мінінформзв'язку, водночас із листопада 2006 року по грудень 2007 року виступаючи радником заступника голови міністерства Дмитра Мілованцева. Обіймаючи ці посади, в 2006-2007 роках Пономарьов займався створенням на території Росії технопарків, які об'єднували фахівців у сфері високих технологій.
У грудні 2007 року Пономарьов був обраний депутатом Державної Думи РФ за списком партії "Справедлива Росія" від Новосибірської області, наступного року він став членом цієї партії і увійшов до її центральної ради. У Держдумі очолював підкомітет із технологічного розвитку комітету з інформаційної політики, інформаційних технологій та зв'язку.
Паралельно Пономарьов продовжував брати участь у діяльності несистемних лівих опозиційних організацій. У жовтні 2008 року політик взяв участь в установчому з'їзді ЛФ (згодом, у травні 2010 року, на сайті ЛФ він згадувався як член Ради та виконкому руху; після II з'їзду ЛФ у листопаді 2010 року до виконкому вже не входив).
У 2009 році Пономарьов обійняв посаду першого заступника керівника експертно-консультативної групи Ради при президентові Росії з розвитку інформаційного суспільства в РФ, а в червні 2010 року став радником президента Фонду "Сколково" Віктора Вексельберга з комерціалізації та міжнародного розвитку.
У грудні 2011 року Пономарьова було переобрано до Державної Думи за новосибірським списком "Справедливої Росії". Після виборів він взяв активну участь у акціях протесту проти фальшування підсумків голосування. У січні 2010 року депутат увійшов до ініціативної групи організації "Громадянський рух".
14 березня 2013 року, протестуючи проти виключення з партії Геннадія та Дмитра Гудкових, призупинив членство у партії «Справедлива Росія» до наступного з'їзду, заявивши про намір сформувати у Держдумі міжфракційну групу «Альтернатива».
Після з'їзду партії «Справедлива Росія» 30 жовтня 2013 року повідомив, що добровільно виходить із партії.
У вересні 2013 року взяв участь у роботі започаткованого Путіним Валдайського клубу, на якому виступив доповідачем на тему діалогу влади та громадянського суспільства. У ході зустрічі з президентом разом із Володимиром Рижковим висунув ініціативу щодо примирення опозиції та влади через процедуру амністії політичних активістів, та подальшу участь опозиціонерів у муніципальних виборах. Незважаючи на нову хвилю критики з боку частини ліберальної опозиції, амністію було оголошено в грудні 2013 року і ще низку політичних в'язнів, включаючи Михайла Ходорковського, помилували. Пономарьов же заявив про намір взяти участь у виборах мера Новосибірська у 2014 році і першим із усіх зареєстрованих кандидатів подав документи до виборчої комісії.
20 березня 2014 року Пономарьов був єдиним депутатом, який голосував проти приєднання Криму до Росії на позачерговому засіданні Державної Думи щодо ратифікації договору про прийняття до складу Російської Федерації Республіки Крим та міста Севастополя. 30 квітня лідер «Справедливої Росії» Сергій Миронов вимагає від Пономарьова здати мандат. Миронов називає поведінку Пономарьова «аморальною та підлою» стосовно партії, оскільки, на його думку, «в очах багатьох недосвідчених людей» Пономарьов, як і раніше, асоціюється зі «Справедливою Росією», чим завдає їй «серйозної репутаційної шкоди».
У серпні 2014 був змушений покинути Росію, з 2015 року перебуває у США. У РФ проти нього порушили кримінальну справу, у квітні 2015 Держдума Росії позбавила Іллю Пономарьова депутатської недоторканності. 16 жовтня 2015 Держдума Росії дала згоду на арешт Іллі Пономарьова, обвинуваченого в пособництві у розтраті фонду «Сколково».
10 червня 2016 Держдума Росії своїм рішенням достроково позбавила Пономарьова повноважень депутата.
17 травня 2019 року Президент України Петро Порошенко надав українське громадянство колишньому депутату Державної Думи Росії Іллі Пономарьову.
У 2022 році опублікував заяву від імені Національної республіканської армії.
31 серпня Ілля Пономарьов від імені Національної республіканської армії підписав «Декларацію російської збройної опозиції» з легіоном «Свобода Росії» та заявив, що спочатку до них погодилися приєднатися представники Російського добровольчого корпусу. Але пізніше вийшла офіційна заява РДК, що вони не підписували декларацію і не визнали своїм символом біло-синьо-білий прапор.
Ініціював так званий З'їзд народних депутатів із Росії.
Учасник Форуму Вільних Народів Постросії, де постійно критикується.
Ілля Пономарьов розлучений, його колишню дружину звуть Катерина (нар. 1976), за фахом журналіст. У сім'ї двоє дітей: син Микола (нар. 1995) та дочка Анастасія (нар. 2000).
01.20.2023