Депутат Государственной думы России 5-го и 6-го созывов, член фракции «Справедливая Россия», член Совета Левого фронта.
Трудовую деятельность начал в 14 лет, в 1989 году — в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) АН СССР. По поручению руководства Института, в которое входил его отец, организовал группу обучения сотрудников компьютерным технологиям, а также занимался поддержкой парка персональных компьютеров.
В 16 лет, в 1991 году создал собственную компанию — АОЗТ «Русспрофи Лтд.», где занял должность генерального директора. В 1992 году занимался торговыми сделками на Российской товарно-сырьевой бирже (РТСБ), далее деятельность компании сосредоточилась на услугах в области программирования, поставок и обслуживания персональных компьютеров. Разработанная в «Русспрофи» система психологической профдиагностики «З-Тест™» стала стандартом в структурах МВД и гражданской авиации. В 1992 году поступил на физический факультет МГУ, обучение не окончил. Параллельно с работой в Мининформсвязи РФ в 2007 году поступил и в 2011 году окончил Российский государственный социальный университет (РГСУ) по специальности «государственное и муниципальное управление». Высшее образование впервые получил в возрасте 35 лет
С 1998 года Илья Пономарёв занимал пост директора дирекции по информационным технологиям нефтяной компании «ЮКОС». В 1999—2000 годах являлся первым вице‑президентом «Сибирской Интернет‑компании» («Сибинтек»).
После продажи бизнеса ARRAVA Пономарёв в 2001 году стал вице-президентом компании IBS и возглавил направление стратегических проектов и связей с государственными органами. Главной задачей стала реализация проектов в рамках ФЦП «Электронная Россия» (портал Правительства РФ, система госзакупок, поддержка налоговой реформы, автоматизация таможенного учёта, мониторинг ЖКХ и т. п.), а также развитие региональной сети IBS, выстраивание отношений с администрациями субъектов РФ. В 2002 году при поддержке IBS был создан «Губернаторский клуб»
С ноября 2006 года и до 2011 года работал в команде Леонида Реймана
С 2009 года был первым заместителем руководителя экспертного комитета Совета по развитию информационного общества при Президенте РФ.
В июне 2010 года назначен советником президента Фонда «Сколково» Виктора Вексельберга по международному развитию и коммерциализации технологий. При этом высшее образование впервые получил в 2011 году, в возрасте 35 лет. На момент заключения договора с фондом «Сколково» на выполнение работы по теме «Коммерциализация технологий и международное продвижение российских инновационных компаний» и чтение лекций на общую сумму более 22 млн рублей, Пономарёв, как указывал заместитель генпрокурора РФ А. Буксман, ещё не имел высшего образования. В 2013 году в ответ на расследование Пономарёвым обстоятельств получения лидером ЛДПР Владимиром Жириновским степени доктора наук, обвинён последним в использовании средств «Сколково» в размере 750 тысяч долларов для финансирования протестов 2011—2012 годов на Болотной площади. В апреле 2013 года Следственный комитет РФ возбудил уголовное дело по ст. 160 УК РФ (растрата) в отношении вице-президента «Сколково» Алексея Бельтюкова, заключавшего соглашение с Пономарёвым, и угрожал добиться снятия с Пономарёва неприкосновенности в Думе. Фонд «Сколково» подал против Пономарёва гражданский иск с требованием вернуть выплаченные ему деньги в размере 9 млн рублей. Иск мотивировался тем, что Пономарёв из десяти лекций качественно провёл только одну. Гагаринский районный суд удовлетворил иск частично, взыскав с Пономарёва 2 млн 728 тыс. рублей. Поскольку Пономарёв добровольно не исполнил решение суда и не вернул денежные средства фонду «Сколково», в сентябре 2014 года приставы начали арест его имущества за долги, а сам он с этого времени не участвует в заседаниях Госдумы, находясь за пределами России. В декабре 2015 года стало известно, что судебными приставами взыскана вся сумма долга с Пономарёва по гражданскому иску.
25 марта 2015 года Генеральной прокуратурой РФ передано в Госдуму ходатайство Следственного комитета РФ о лишении неприкосновенности Ильи Пономарёва и даче согласия на возбуждение против него уголовного дела о растрате 22 млн рублей из фонда «Сколково». 7 апреля 2015 года Госдума при консенсусе всех фракций лишила Пономарёва неприкосновенности, за проголосовали 438 депутатов, против был один Д. Гудков, который по просьбе Пономарёва нажал за него кнопку «воздержался», 10 депутатов не голосовали. В конце апреля 2015 года стало известно о возбуждении уголовного дела против Пономарёва. В июне 2015 года представитель СКР подтвердил, что в отношении Пономарёва возбуждено уголовное дело по части 5 статьи 33 и части 4 статьи 160 УК РФ (пособничество в растрате).
10 июня 2016 года Госдума РФ лишила Пономарёва депутатских полномочий за систематическое неисполнение своих обязанностей, в том числе прогулы пленарных заседаний в течение 30 и более календарных дней. Это решение было принято 413 голосами «за» при 3 голосах «против», воздержавшихся не было. 22 июня 2016 года Центризбирком РФ передал мандат следующему в региональной группе Справедливой России. Депутатом стал бывший до этого депутатом Заксобрания Новосибирской области кандидат физико-математических наук Даниил Иванов.
Пономарёв — основатель российского Левого фронта. Постоянный член оргкомитета Российского социального форума, объединяющего протестные и социальные движения страны. Один из координаторов участия российских представителей в Европейских и Всемирных социальных форумах.
В 2006 году отошёл от активной деятельности в КПРФ. Летом 2007 года Пономарёв ушёл из КПРФ для участия в выборах в Государственную Думу.
В декабре 2007 года избран в Государственную Думу России V созыва по спискам партии «Справедливая Россия» от Новосибирской области. В Думе вошёл в Комитет по информационной политике, технологиям и связи, возглавил подкомитет по технологическому развитию, координируя разработку законодательства в сфере поддержки инноваций и высоких технологий. В декабре 2011 года переизбран на новый срок. В Госдуме VI созыва, в связи с расформированием Комитета по информполитике, вошёл в Комитет по экономической политике, инновационному развитию и предпринимательству, возглавив подкомитет по инновационному развитию.
В 2008 году вступил в политическую партию Справедливая Россия, и вскоре был избран в её Центральный совет.
После начала протестных митингов в декабре 2011 года вернулся к активной политической деятельности, став одним из организаторов массовых акций в Москве. В январе 2012 года стал инициатором создания Гражданского Движения — координационного центра протестных сил. По итогам событий 6 мая 2012 года выдвинул идею создать Координационный Совет оппозиции как единый коалиционный штаб протестных сил в количестве 12 человек. Эта идея была поддержана Сергеем Удальцовым и — после некоторых колебаний — Алексеем Навальным; в течение лета 2012 года Пономарёв проехал в рамках автопробега «Белый поток» часть регионов России, агитируя за выборы в КСО. Однако в итоге концепция выборов была изменена в пользу формирования большого органа из 45 человек, включающего квоты для политических течений. Эта схема была раскритикована Пономарёвым, и за неделю до голосования он снял свою кандидатуру с выборов, подвергшись жёсткой критике со стороны сторонников Навального.
14 марта 2013 года, протестуя против исключения из партии Геннадия и Дмитрия Гудковых, приостановил членство в партии «Справедливая Россия» до следующего съезда, заявив о намерении сформировать в Госдуме межфракционную группу «Альтернатива»
В январе-марте 2014 года участвовал в качестве кандидата от партии Альянс зелёных и социал-демократов в выборах мэр С августа 2014 года в российских и мировых СМИ многократно публиковалась информация о том, что Пономарёв находится в США. Среди источников существования Пономарёва, по его словам, доходы от преподавательской и научной деятельности. За рубежом Пономарёв находится по туристической визе, планировал вернуться в Россию в мае 2015 года а Новосибирска. За полторы недели до дня голосования снял свою кандидатуру
15 января 2015 года Пономарёв принял участие в проводившейся в Вашингтоне конференции Center for Strategic and International Studies под названием «Российская оппозиция во время войны и кризиса», где представил доклад с описанием текущего политического климата в России, а также рассказал о возможных сценариях смены режима в России
Илья Пономарёв женат, его супругу зовут Екатерина. В семье двое детей: сын Николай (род. 1995) и дочь Анастасия (род. 2000)