Родился 22 июня 1980 года в Тольятти.

С 1988 по 1998 года тренировался в СДЮШОР ХК «Лада». Профессиональную карьеру начал в сезоне 1998/99 защищая ворота фарм-клуба «Лада-2». Сезон 1999/00 начал в воротах московского «Спартака», однако уже через 10 игр перебрался в основной состав «Лады», где и провёл полтора сезона.

В 2000 стал обладателем приза Лучший новичок сезона.

Карьеру НХЛ Илья начал не очень удачно. За 4 года с 2001 по 2003 он провёл за Анахайм Дакс всего два неполных матча, все остальное время играя в фарм-клубе в АХЛ.

Однако начиная с сезона 2004/05 Илья прочно входит в основной состав команды вторым вратарём, проводя за сезон примерно 30 матчей, принимая участие в том числе в играх плей-офф. В сезоне 2006/07 завоевывает с командой Кубок Стэнли. Начал успешно сезон 2007/08, однако в ноябре был выставлен на драфт отказов и переехал в Финикс, где является основным вратарём.

Защищает цвета российской сборной с 2000 года, когда на молодёжном чемпионате мира завоевывает серебряные медали. Тогда же, в 2000 году провёл за сборную 5 матчей на чемпионате мира в Санкт-Петербурге. Помимо этого сыграл в 2 матчах шведского этапа Евротура и 2 товарищеских матчах.

В 2002 году становится бронзовым призёром Олимпийских игр в Солт-Лейк-Сити.

В 2004 играет за сборную на московском этапе Евротура, где признаётся лучшим вратарём. На Кубке мира защищал ворота в 3 матчах.

В 2006 году играл за сборную на Олимпийских играх в Турине. В первом матче сборная России проиграла команде Словакии со счетом 3-5. Выяснение причин поражения привело к конфликту между Ильей Брызгаловым и тренером Владимиром Крикуновым, в результате больше на лёд в этом турнире Илья не выходил.

Был основным вратарём сборной на ЧМ-2009, где стал чемпионом мира.

Илья Брызгалов — обладатель второй по протяжённости «сухой» серии в истории Кубка Стэнли — 249 минут 15 секунд.

Рекордсмен по числу матчей на ноль подряд среди новичков НХЛ.

Жена — Евгения, сын — Владислав (2006 г.р.), дочь — Валерия (2004 г.р.).