Павел Александрович Ильменский родился
в Санкт-Петербургской губернии в крестьянской семье. Общее образование получил в Санкт-Петербургской учительской семинарии. Некоторое время работал учителем. 21 июля 1914 года был призван в действующую армию рядовым солдатом.Принимал участие в боевых действиях на фронтах 1-й Мировой войны с сентября 1914 г. по сентябрь 1915 г.
В январе 1916 года поступил во Владимирское военное училище, которое окончил ускоренным курсом по 1-му разряду и выпущен из него подпоручиком в январе 1917 года в 9-й пехотный запасной полк.
В полку он занимал должности, последовательно: командир роты, начальник команды пеших разведчиков, начальник миномётной команды. Участвовал в боевых действиях с января по май 1917 года, при этом был ранен. В этот период был произведён в поручики.
В сентябре 1918 года П. А. Ильменский добровольцем вступил в Рабоче-крестьянскую Красную армию (РККА). В том же году вступил в РКП (б). До августа 1919 года служил во 2-й бригаде 40-й стрелковой дивизии. С августа 1919 года был зачислен в списки 356-го (154-го с 1920 г.) стрелкового полка на штатную должность начальника миномётной команды, на которой пробыл до апреля 1920 года.
«Участвовал с полком в походах и делах против неприятеля на Северном фронте с 16 августа по апрель 1920 года»
(формулировка учётной карточки П. А. Ильменского)
Затем был командирован в штаб 52-й бригады 18-й стрелковой дивизии для направления на педагогические курсы. В учётной карточке П. А. Ильменского, хранящейся в Российском государственном военном архиве, об этом сказано так:
«…военное образование в РККА: Политгруппу при
― 1920 год…». В сентябре 1920 года назначен помощником комиссара 17-й .
1 июня 1921 года П. А. Ильменский был назначен начальником и военным комиссаром Тульской оружейно-технической школы (ТОТШ), преобразованной из Тульских оружейно-технических курсов. Перед ним стояла нелёгкая задача ― превратить краткосрочные курсы в нормальную школу с достаточным сроком обучения и качественной подготовкой грамотных специалистов по эксплуатации оружия в войсках. С этой задачей он справился блестяще. Именно в период его руководства школой она состоялась как военно-учебное заведение РККА и достойно осуществляла подготовку командиров оружейно-технических специальностей. На должности начальника ТОТШ П. А. Ильменский пробыл до января 1928 года. Пока не удалось установить места его службы и занимаемые должности до 1939 года. Несомненно то, что в указанный период он окончил академию, поскольку Постановлением Народного комиссариата обороны СССР № 1061 от 4 ноября 1939 года начальнику отдела химических войск Московского военного округа П. А. Ильменскому было присвоено звание комбриг. Чуть позже Постановлением Совета народных комиссаров Союза ССР № 945 от 4 июня 1940 года ему было присвоено персональное звание генерал-майора технических войск.
С началом Великой Отечественной войны в июне 1941 года по октябрь 1942 исполнял должность начальника химических отделов Южного, Северо-Кавказского и Закавказского фронтов. В октябре 1942 года убыл в распоряжение Главного военно-химического управления Красной Армии и вскоре был назначен начальником Высшей офицерской школы технических войск, созданной для усовершенствования офицерского состава химических войск и их переподготовки. По окончании Великой Отечественной войны он был переведён в штаб Московского военного округа.
За годы службы в рядах РККА и Советской Армии П. А. Ильменский был удостоен двух орденов Ленина, двух орденов Красного Знамени, ордена Красной Звезды и различных медалей, среди которых: медаль «XX лет Рабоче-крестьянской Красной Армии», медаль «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941―1945 гг.», медаль «За оборону Кавказа» и др.
П. А. Ильменский скончался 16 августа 1969 года в Москве. Похоронен на Введенском кладбище