Илья Николаевич Ульянов родился в Астрахани в мещанской семье. В 1854 году окончил физико-математический факультет Казанского университета. В 1850—1860-е гг.— учитель математики и физики в Пензенском дворянском институте, затем в гимназии и женском училище в Нижнем Новгороде.
Работая в Пензе, вёл метеорологические наблюдения, на основании которых написал научные работы "О пользе метеорологических наблюдений и некоторые выводы из них для Пензы" и "О грозе и громоотводах". С 1869 года – инспектор, в 1874—1886 годах –директор народных училищ Симбирской губернии. В 1882 году награжден орденом св. Владимира 3-й степени, что давало право на потомственное дворянство.
И.Н. Ульянов был широко образованным человеком; его педагогические воззрения формировались под влиянием революционно-демократических идей Н. Г. Чернышевского и Н. А. Добролюбова. Имел большие организационно-педагогические способности, много сделал для разработки теории и практики начального образования. Был сторонником равного образования для всех: мальчиков и девочек, русских и нерусских, богатых и бедных (в 1871 году открыл в Симбирске первую чувашскую школу, которая в дальнейшем была преобразована в Чувашскую учительскую семинарию; создал первые в губернии национальные школы для мордовского населения и светские школы для татар). Школа, по взглядам Ульянова, должна выполнять три основные задачи: формировать правильные взгляды на окружающий мир путём обучения элементарным основам научных знаний; способствовать приобретению учащимися практических сведений и навыков, необходимых в жизни; развивать и совершенствовать у них природные способности, приучая к правильному мышлению, точному выражению мыслей, умению управлять своими желаниями и формировать стремление пополнять свои знания. Ульянов проводил идею трудового обучения и воспитания; был инициатором и руководителем учительских съездов, организатором много мероприятий в области педагогического образования. Значительный интерес представляют педагогические статьи Ульянова и его отчёты о народном образовании в Симбирской губернии. Оказал большое влияние на формирование характеров, убеждений своих детей, ставших революционерами.
Илья Николаевич Ульянов умер 24 января 1886 года, состоя на службе, от кровоизлияния в мозг на 55-м году жизни. Похоронен на кладбище Покровского монастыря г. Симбирска. Имя И. Н. Ульянова присвоено Педагогическому институту в г. Ульяновске и Чувашскому государственному университету.