Но жизнь на гражданке продолжалась недолго, и в мае следующего года он был призван в Красную Армию. Ильюшина направили в Серпухов, где находилось командование Красного Воздушного Флота. Там Сергей Владимирович встретил своих старых знакомых по аэродромной команде Комендантского аэродрома Воронца и Раугевича. Так Ильюшин вновь вернулся в авиацию, став авиамехаником 6-го авиаремонтного поезда 6-й армии Северного фронта.
Осенью 1919 года Ильюшин выехал в район Петрозаводска, где совершил вынужденную посадку английский двухместный самолет «Авро» 504к. Сергей Владимирович и пять красноармейцев разобрали машину, ставшую впоследствии прототипом учебного самолета У-1, и доставили в Москву на завод «Дукс».
Весной 1920 года Воронец и Раугевич получили назначение в авиационный парк Кавказского фронта и переехали в Саратов, куда перевели и Ильюшина. Во 2-м авиационном парке, где Сергей Владимирович стал старшим механиком и комиссаром, занимались ремонтом, восстановлением и испытанием самолетов перед отправкой на фронт.
В феврале 1921 года Ильюшина назначили начальником 15-го авиационного поезда 9-й Кубанской армии Кавказского фронта и осенью авиапоезд Ильюшина направили в Москву, на усиление заново формирующихся частей. Перед отправкой в Москву Сергей Владимирович в беседе с начальником авиации Кавказского фронта В.В. Хрипиным высказал желание поступить в Институт инженеров Красного Воздушного Флота. Так, сдав экзамены 21 сентября 1921 года, Ильюшин был зачислен в институт, в следующем году преобразованный в Военно-воздушную академию имени профессора Н.Е. Жуковского.
Большинство авиаторов довоенной поры начинали свою карьеру с планеризма. Не стал исключением и Сергей Владимирович Ильюшин. Легкие, а порой и ажурные летательные аппараты где только не строили: в сараях, подвалах, квартирах и на предприятиях. Ильюшин начинал в Мастерских тяжелой артиллерии («Мастяжарт»), и неудивительно, что это сокращение и стало названием его крылатого первенца.
Первый планер слушателя Академии Воздушного Флота С.В. Ильюшина АВФ-3 «Мастяжарт» построили в кружке планеристов Мастерских тяжелой артиллерии, и в 1923 году он был отправлен на первые планерные испытания в Крым (Феодосию), славившийся невысокими горами с пологими склонами и подходящими воздушными потоками. Ажурная конструкция планера сегодня может напоминать лишь дельтаплан, с той лишь разницей, что на нем, как и на самолете, имелись элероны и оперение с рулями. Планер прекрасно летал, хотя его продольная управляемость из-за неправильно выбранной центровки оставляла желать лучшего.
Вслед за первенцем АВФ-3 под руководством Ильюшина были построены АВФ-4 «Рабфаковец» (1924 г.) и АВФ-5 «Мастяжарт-2». Будучи весьма хрупким, «Мастяжарт-2» был сильно поврежден при перевозке с горы на лошадях к месту испытаний и не восстанавливался.
Следующий планер, построенный под руководством Ильюшина в 1924 году при Академии Воздушного Флота, получил обозначение АВФ-14. Как и предшественники, он имел высоко расположенное прямое крыло с дугообразной, почти эллиптической передней кромкой и отличался «облагороженной» аэродинамикой. Пилот располагался в кабине удобообтекаемого фюзеляжа перед передней кромкой крыла.
На планере в ходе очередных планерных состязаний в Крыму был совершен ряд удачных полетов продолжительностью до 20 секунд. Сегодня это может вызвать улыбку, но следует учесть, что планеры тогда запускали со склона горы с помощью резинового амортизатора на высоту нескольких метров и пилоты просто не имели возможности «поймать» восходящий воздушный поток и совершить настоящий парящий полет. К тому же крыло планера хотя и находилось над фюзеляжем, но недостаточно высоко и при взлете могло задеть земную поверхность, что не позволяло пилоту закладывать глубокие виражи.
Последний, четвертый, планер Сергея Владимировича АВФ-21 «Москва», построенный совместно с инженером Н.Н. Леонтьевым и Л.С. Куриным, в августе 1925 году участвовал (летчик – Константин Арцеулов) в Ренских состязаниях планеристов в Германии.