Родился в 1906 году в Полоцке, Витебской губернии, в семье служащего. Хотя окружавшая его среда была далека от искусства, художественные наклонности у него проявились рано. В 1922 году, когда Лукомскому было 16лет,он поступает в Московские Высшие художественно-технические мастерские (ВХУТЕМАС). Учился у таких педагогов как П. Кузнецов, Л. Бруни, В. Фаворский, Н.М. Чернышев. В 1930 году Лукомский окончил отделение монументальной живописи и был призван в ряды Красной Армии.
Демобилизовавшись после годичной службы в Московской Стрелковой пролетарской дивизии, он с осени 1931 года возвращается к творческой работе. Его первая станковая картина "На штурм угля" написана в 1932. С этого года он член московского Союза советских художников. Для работы над большой картиной к юбилейной выставке "XV лет РККА" Лукомский едет на Дальний Восток. В этой выставке Лукомский участвовал картиной "Реввоенсовет Особой Краснознаменной Дальневосточной Красной Армии".
Романтика преодоления трудностей - таков подтекст обеих картин. Переломным моментом в творчестве Лукомского явилось создание полотна "Заседание заводского парткома". Если раньше Лукомский главное внимание уделял общей композиции картины, то теперь основой картины становятся душевно прочувствованные портреты.
В 1942 году Лукомский получил назначение на фронт. Отныне он числился и составе студии военных художников им. М.Б. Грекова. Коллектив военных художников, равно владевших и кистью, и боевым оружием, проплел вместе с Советской Армией весь ее славный путь. И на этом пути художники действительно сумели "к штыку приравнять перо". Художник был с бойцами во время великой битвы на Волге, работал в осажденном Ленинграде и на Украине. С Советскими войсками он участвовал в штурме Берлина.
Глубокое проникновение в психологию своих современников, душевное к ним отношение, активный патриотизм - это дало возможность Илье Лукомскому в годы Великой Отечественной войны и в послевоенные годы создать сотни портретов, раскрывающих облик народа, характер простых людей, ставших на защиту родной страны - рядовых бойцов и генералов, летчиков, медсестер, танкистов. Портреты, созданные Лукомским, являются правдивым человеческим документом военных лет. Эти глубоко психологические портреты раскрывают перед нами душу народа. Он глубоко чувствовал, что история - это люди. Это помогло ему в 1950 году создать большое композиционное произведение - "Клятва сталинградцев". В этой картине ясно выражена тема великой любви к своей Родине.
В последний год жизни Лукомский работал над акварельными портретами прославленных летчиц Таманского авиаполка. Эти произведения полны человечности, душевной силы и чистоты. Все портреты находятся в музеях страны, главным образом в центральном музее Российской Армии. Илья Лукомский был человеком, влюбленным в свою эпоху. Он был человеком высокой идейности, и целеустремленности в творчестве. Талантливый художник и светлый чистый человек - Илья Лукомский был как бы воплощением вечной романтической молодости, мечтой о новой жизни, полной товарищеского равенства и творческого порыва.
Таким молодым, ясным и благородным, никогда не извлекавшем из искусства никакой корысти, он оставался до конца своей недолгой жизни. Илья Лукомский умер 3 марта 1954 года. Почти все работы художника хранятся в музеях страны – Третьяковской галерее, Русском музее, Артилерийском музее, музее обороны Сталинграда и Москвы, Хабаровска и других.