Илья Фондаминский родился 17 февраля 1880 года в Москве в зажиточной еврейской купеческой семье. Родители строго придерживались иудейских религиозных традиций. Бо́льшее влияние на него оказал пример старшего брата Матвея, который в 1885 году во время учебы в Московском университете примкнул к террористической организации «Народная воля». В следующем году Матвей был выдан полиции и осужден на 10 лет каторги, в 1889 году принял участие в бунте политических ссыльных в Якутске, после чего был приговорен к пожизненной каторге. Умер от туберкулеза в возрасте 29 лет.
В 1900-1904 годах Илья учился на философских факультетах Берлинского и Гейдельбергского университетов. В конце 1902 года вступил в партию социалистов-революционеров («эсеров») и стал членом ее боевой организации. В 1903 женился на подруге детства Амалии Гавронской, внучке чаеторговца Высоцкого, получив огромное приданое, в частности долю в чайных плантациях на Цейлоне.
В годы Первой русской революции несколько раз подвергался арестам, в том числе за участие в восстании моряков на крейсере «Память Азова.» Принимал участие в организации восстания на флоте в 1905 году. Имел репутацию искусного оратора. Пожертвовал несколько десятков тысяч рублей из личных средств на вооружение боевиков. В начале декабря 1905 года под его воздействием съезд железнодорожников принял решение о начале всеобщей политической забастовки, ставшей прологом к декабрьскому восстанию в Москве. Входил в штаб восстания, а после подавления его правительственными войсками бежал в Финляндию.
В 1907 — 1917 годах он жил в эмиграции в Париже, являясь в это время членом Заграничной делегации партии эсеров. В 1907 году участвовал в Штутгартском конгрессе II Интернационала. Был назначен куратором террористической Боевой организации, во главе которой встал Борис Савинков.
Тем не менее в эмиграции во многом пересмотрел прежние взгляды. Сблизился с литераторами-декадентами Дмитрием Мережковским и Зинаидой Гиппиус, которые после поражения русской революции искали синтеза между идеями социализма и Христианства. Писатели привлекли его к финансированию религиозно-философского журнала «Вопросы жизни». В 1912 Фондаминский и его старый товарищ Авксентьев наладили выпуск в Париже журнала «Почин», который выступал против политического террора.
Вскоре после Февральской революции, в апреле 1917 года, вернулся в Россию через Англию. На III съезде эсеров он был избран членом центрального комитета партии и стал товарищем председателя исполнительного комитета Всероссийского Совета крестьянских депутатов. Летом 1917 года Временным правительством был назначен генеральным комиссаром на флоте Черного моря, а осенью 1917 года — избран депутатом Учредительного собрания от Черноморского флота, а также членом бюро фракции эсеров. После Октябрьской революции и разгона в январе 1918 года Учредительного собрания был сторонником широкой антибольшевистской коалиции, членом антибольшевистского «Союза возрождения», объединившего правых социалистов.
Летом 1918 года бежал на Украину и поселился в Одессе. В ноябре того года в качестве представителя «Союза возрождения» участвовал в конференции в Яссах, на которой обсуждался вопрос о возможности начала интервенции войск Антанты.
В апреле 1919 года эвакуировался из Одессы на французском корабле, вновь поселился в Париже.
В 1919 по рекомендации видных русских масонов Кандаурова и фон Мекка был принят в масонскую парижскую ложу «Братство», входившую в ложу «Великий Восток. С 1921 — один из создателей русской ложи в Париже «Добрый самаритянин.» Впоследствии покинул ее из-за внутренних разногласий в среде русских масонов. Не порывал связи с братством до середины 1930-х годов, когда с переменой своих духовных воззрений, подвергся добровольному «радиированию» — вычеркиванию из списков ложи (в таких случаях удаляются все упоминания о причастности человека к масонству).
В 1920-1940-х годах участвовал в издании популярного в эмиграции журнала «Современные записки». Благодаря ему журнал был открыт для авторов различных направлений общественно-политической мысли и различных литературных течений. Так, в журнале публиковались работы Льва Шестова, Семена Франка, Георгия Флоровского, Дмитрия Мережковского; художественные произведения Ивана Бунина, Владимира Набокова, Алексея Ремизова, Марка Алданова. В 1937-1939 годах — редактор «Русских записок».
В 1930-х годах был редактором христианских религиозно-философских журналов «Путь» и «Новый град» и оказывал им финансовое содействие. Во время своей второй эмиграции написал большое количество исторических, литературоведческих и публицистических произведений, в том числе цикл историософских статей «Пути России». Вместе с супругой оказывал благотворительную помощь многим русским эмигрантам во Франции.
В конце 1920-х годов отошел от активной общественной деятельности в связи с тяжелой болезнью жены. В 1935 году Амалия Фондаминская умерла в возрасте 55 лет. В этот период постепенно пришёл к православию, начал регулярно молится в православной церкви, однако откладывал свое крещение, ссылаясь на духовную неготовность к этому шагу.
В 1930 году стал одним из организаторов «Лиги православной культуры.» Также участвовал в Русском студенческом христианском движении и в конце 1930-х годов был одним из создателей в Париже благотворительного и просветительного объединения «Православное дело,» которое возглавляла мать Мария (Скобцова).
В июне 1940 года, сразу же после военного разгрома немцами Франции, бежал от нацистов из Парижа в неоккупированную зону страны — в город Аркашон, юго-западнее Бордо. Однако осенью 1940 года вернулся в столицу и зарегистрировался как еврей. Знакомые недоумевали, почему он приехал из «свободной зоны» в Париж. В это время устроенные Американским еврейским рабочим комитетом визы на выезд в США ждали в Марселе. Тем не менее он отказался бежать из оккупированной Франции. После возвращения в Париж бедствовал, был вынужден за бесценок продать свою огромную библиотеку немецкому офицеру. 22 июня 1941 года, в день нападения Германии на СССР, был схвачен в ходе облавы во время массовых арестов русских эмигрантов и отправлен в Компьенский лагерь (лагерь Фронт-Сталаг 122 близ города Компьень, в 80 километрах северо-восточнее Парижа).
В этом лагере 20 сентября 1941 года русский священник Константин Замбржицкий крестил его. Крестным отцом стал участник объединения «Православное дело» Федор Пьянов. Позднее отец Константин сказал, что ощутил «его духовное и даже богословское превосходство.» В начале литургии, «за которой И[лья] И[сидорович] должен был впервые причаститься, ворвались немецкие солдаты и приказали прекратить службу, так как приходская церковь подлежала закрытию. Таинство было закончено вне церкви, в одном из бараков. Так старый подпольщик в подполье встретил своего Христа».
Вскоре после крещения с язвой желудка попал в лагерный лазарет, где монахиня Мария (Скобцова) добилась свидания со своим другом и соратником с довоенных времен. Работники «Православного дела» и русские социалисты — участники движения Сопротивления продумали и подготовили его побег через «свободную» зону на Юге Франции в США, но его мучил вопрос, как совместить переход в Православие с преданностью еврейскому народу. И после долгих раздумий он решил отказаться от побега и сознательно принять мученическую смерть за веру, по-христиански разделив участь других узников-евреев — своих родных по плоти братьев. В письме матери Марии он писал: «Пусть мои друзья обо мне не беспокоятся. Скажите всем, что мне очень хорошо. Я совсем счастлив. Никогда не думал, что столько радости в Боге.»
Потрясенная его решением мать Мария сказала: «Из такого теста святые делаются».
В начале 1942 года вместе с другими евреями был депортирован в пересыльный лагерь Дранси в северном предместье Парижа, а затем в концлагерь Освенцим (Аушвиц), где и погиб. Как написал Георгий Федотов, «в последние дни свои он хотел жить с христианами и умереть с евреями».
