Ο Ηλίας Ηλιού γεννήθηκε στο Κάστρο της Λήμνου τον Μάιο του 1904. Σπούδασε νομικά στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και πρωτοδιορίστηκε δικηγόρος στο Πρωτοδικείο Μυτιλήνης το 1928. Η πρώτη του επαφή με την πολιτική, ήταν το 1923, όταν ως φοιτητής εντάχθηκε στη νεολαία του κόμματος του Αλέξανδρου Παπαναστασίου, με το οποίο πολιτεύτηκε αργότερα στο νομό Λέσβου, το 1932 και 1936. Κατά τη διάρκεια της Κατοχής, πήρε ενεργά μέρος στην αντίσταση ως αντάρτης του ΕΑΜ. Το 1945 έγινε μέλος του ΚΚΕ. Λόγω της πολιτικής του δράσης στα ταραγμένα μετεμφυλιακά χρόνια εξορίστηκε από το 1947 έως το 1951. Το 1951 εξελέγη βουλευτής της ΕΔΑ στην Εκλογική περιφέρεια Λέσβου-Λήμνου αν και ήταν εξόριστος, αλλά η εκλογή του ακυρώθηκε. Εκλέχτηκε ξανά το 1956 και στη συνέχεια σε όλες τις επόμενες εκλογές.
Ως το 1967 ο Ηλίας Ηλιού ήταν μόνιμος κοινοβουλευτικός εκπρόσωπος της ΕΔΑ. Ως νομικός με σπάνια γενική παιδεία και ως μετριοπαθής πολιτικός έχαιρε ιδιαίτερης εκτίμησης από όλες τις πολιτικές πτέρυγες της Βουλής. Προφητική υπήρξε η καταγγελία του από το βήμα της Βουλής κατά της επερχόμενης τότε "χούντας των στρατοκρατών" και συγκεκριμένα κατά του αντισυνταγματάρχη Παπαδόπουλου στις 23 Ιουλίου 1965, που δυστυχώς όλοι τότε έδειξαν ότι κώφευαν. Επί δικτατορίας εξορίστηκε.
Μετά την πτώση της στρατιωτικής δικτατορίας των συνταγματαρχών (μεταπολίτευση) ανασυγκρότησε την ΕΔΑ της οποίας και έγινε πρόεδρoς. Εξελέγη δε για δύο κοινοβουλευτικές περιόδους βουλευτής με την Ενωμένη Αριστερά (1974) και με τη Συμμαχία Προοδευτικών και Αριστερών Δυνάμεων (1977). Αποσύρθηκε από την πολιτική το 1981
Πέθανε στις 25 Ιανουαρίου 1985. Προς τιμήν του, δόθηκε το όνομά του σε κεντρική λεωφόρο του Δήμου Αθηναίων στη συνοικία Νέου Κόσμου.Γιος του ήταν ο επιφανής ιστορικός Φίλιππος Ηλιού ο οποίος πέθανε το 2004.
