Илчо Димитров завършва гимназия в Дупница през 1949 г. и специалност история в Софийския университет през 1953 г. Работи като инструктор в Благоевския районен комитет на ДКМС. От 1954 г. е член на БКП. Работи като редактор в сп. "Младеж" и издателство "Народна младеж".

От 1959 г. е асистент в Софийския университет. През 1963 г. защитава дисертация за титлата кандидат на историческите науки (днес - доктор) на тема "Борбата на Либералната партия срещу режима на пълномощията (1881 - 1884 г.)". Доцент от 1972 г. Хабилитационният му труд е "Князът, конституцията и народът", посветен на управлението на княз Александър I Батенберг. През 1976 г. защитава докторска дисертация (днес за титлата доктор на историческите науки) на тема "Българо-италиански политически отношения 1922 - 1943 г.". Професор от 1976 г. Бил е първи секретар на партийния комитет на Софийския университет, член на Бюрото на Ленинския районен комитет и Градския комитет на БКП в София.

През 1972 - 1978 г. е заместник-директор и научен секретар на Единния център по история към БАН (1972 - 1978), заместник-председател на БАН (1984 - 1988). През 1979 - 1981 г. е ректор на Софийския университет. Директор на центъра по българистика. Оглавява специална комисия за Възродителния процес при ЦК на БКП.

Работи като завеждащ отдел "Идеология и агитация" към ЦК на БКП. Член на ЦК на БКП (5 април 1986 - 2 февруари 1990). Народен представител в 9-о (35-о) Народно събрание (17 юни 1986 г. - 3 април 1990).

Министър на народната просвета от 24 март 1986 до края на 1987 г. като в това време заема и длъжността зам.председател на Съвета за духовно развитие при МС, и министър в Министерство на културата, науката и просветата (което от 1987 до 1989 г. е начело с министър Георги Йорданов (БКП)) от 1 януари 1988 до 4 юли 1989 г. в правителството на Георги Атанасов . Министър на образованието, науката и технологиите в правителството на Жан Виденов (1995 - 1997).

Илчо Димитров остава в българската историография със съществените си приноси в областта на новата българска история.

Баща на историка проф. Иван Илчев.