Анатолій народився 15 лютого 1974 року в селі Леміщине на Харківщині. Жив у сусідньому селі Рясне. Із золотою медаллю закінчив місцеву школу. У технікумі опанував спеціальність автомеханіка. У мирному житті займався ремонтом техніки. Міг полагодити і трактор, і комбайн. Останнім часом працював у ПСП «Патріот», що займається вирощуванням зернових культур.
Після початку повномасштабної війни Анатолій долучився до 227-го батальйону 127-ї окремої бригади територіальної оборони. Служив командиром відділення технічного обслуговування автомобільної техніки у взводі матеріально-технічного забезпечення.
«Тато був як промінь сонця для рідних. Ми його безмежно любили, за його щирість і просто за те, що він є. Це підтримка, це мрія бути схожою на нього, це моє відображення в дзеркалі. Наші спогади завжди будуть з нами. А він – у наших серцях», – сказала дочка Юлія.
У 2024 році його доньці передали медаль «Хрест доблесті» – відзнаку, яку захисник не встиг отримати. Посмертно Анатолія Ільченка відзначили орденом «За мужність» ІІІ ступеня.
Поховали воїна на Алеї Слави кладовища №18 у Харкові.
У нього залишилися мати, сестра, донька, а також названі син і дочка від попереднього шлюбу дружини, яких він виховував як рідних.
