В 1815 году, уже подпоручиком, был назначен адъютантом к графу Аракчееву. Но в 1819 возвратился опять к строевой службе и вскоре был назначен командующим 1-ою батарейною ротою имени Его Высочества а затем и командиром 2-й батарейной роты в чине капитана. В 1825 году произведен в полковники и назначен адъютантом к великому князю Михаилу Павловичу. В 1828 году, с оставлением в прежней должности, назначен дежурным штаб-офицером по управлению генерал-фельдцейхмейстера.
С 2 мая по 14 октября 1828 года Илья Андреевич участвовал в русско-турецкой войне, сначала в качестве дежурного штаб-офицера осадных войск при осаде крепости Браилова, а потом находился при осаде крепости Шумлы, причем участвовал во многих боях и стычках. При этом полковник особенно отличился при обратном отбитии у неприятеля редута № V-й (14-го августа), выполняя должность начальника штаба артиллерии 2-й армии. За это князь был награжден орденом Святой Анны 2-й степени с алмазными украшениями.
Князь Долгоруков был избран в комиссию вместе с Пестелем и князем Шаховским для написания устава. Основная работа была проведена Пестелем, Долгоруковым было написано торжественное введение, которое объясняло общую цель тайного общества. Статут был уничтожен самими декабристами в 1818 году, когда они преобразовали свое общество.
Вернувшись в августе 1818 года из-за границы, Долгоруков стал членом Союза благоденствия, блюстителем его Коренного совета. Его обязанность состояла в хранении «Зеленой книги» и «назидании за порядком в обществе, которого, впрочем, никогда не существовало, ибо и правильных заседаний не бывало». Участник Петербургского совещания, состоявшегося в январе 1820 года на квартире Федора Глинки. На нем присутствовало все руководство движения, и было оно посвящено решению вопроса о форме правления.
Вот как описывал его Пестель показывал: «Князь Долгоруков по открытии заседания, которое происходило на квартире у полковника Глинки, предложил Думе просить меня изложить все выгоды и все невыгоды как монархического, так и республиканского правления с тем, чтобы потом каждый член объявлял свои суждения и свои мнения».
По заключению Пестеля «приняли все единогласно республиканское правление».
Вскоре состоялось еще одно совещание в Преображенских казармах у подполковника Ивана Шипова, на котором решался вопрос о цареубийстве. Между Долгоруким и Никитой Муравьевым произошел спор.
Вскоре после этого Долгоруков сложил с себя обязанности блюстителя общества. В 1821 году принимал участие в Московском съезде, в результате которого была проведена фиктивная ликвидация общества. После этого ни в каких тайных обществах не состоял.
После разгрома восстания отрицал свое участие в деятельности декабристов. Согласно «Алфавиту Боровкова» показал, что «действий его в пользу общества никаких не было и не помнит, чтобы он кого-либо пригласил в оное. …У Федора Глинки бывал, но никогда в совещании или правильном заседании; разговоры были общие и частные, но никогда определенных предметов на рассуждение не представлялось. Сказанного Пестелем предложения не делал и о принятии республиканского правления не слыхал, но и не подозревал в обществе. В квартире Шипова с 1816 года и до сих пор ни разу не случалось быть и о происходившем там, как и преступном намерении в обществе никогда не слыхал».
Высочайше повелено оставить без дальнейшего следствия благодаря вмешательству великого князя Михаила Павловича.
Князь Долгоруков был знаком с А. С. Пушкиным, который посещал собрания членов Союза благоденствия и читал там свои стихи. Декабрист И. Н. Горсткин показывал на следствии: «Потом стали у некоторых собираться сначала охотно, потом с трудом соберется человек десять, я был раза два-три у князя Ильи Долгорукого, который был, кажется, один из главных в то время, у него Пушкин читывал свои стихи, все восхищались остротой, рассказывали всякий вздор, читали, иные шептали, и все тут; общего разговора никогда нигде не бывало».
В отрывках 10 главы «Евгения Онегина» поэт упомянул «осторожного Илью». Также Долгоруков должен был фигурировать в ненаписанном романе «Русский Пеллам» среди участников «Общества умных».
Князь Илья Долгорукий был женат на княжне Екатерине Александровне Салтыковой-Головкиной, дочери обер-церемониймейстера Высочайшего Двора светлейшего князя Александра Николаевича Салтыкова, внучке графа Головкина. По словам Долли Фикельмон, Екатерина Александровна была внешне скорее некрасива, однако была истинной дамой, притом приятной, и очень милой в обществе. Отличаясь слабым здоровьем, много времени проводила за границей. Там же подолгу жили и ее сестры. Княгиня родила Илье двоих дочерей, хотя как и муж, она очень хотела мальчика.
Не имея сына, княгиня Долгорукова была очень привязана к своему племяннику Юрию, сыну умершей сестры. Желая его усыновить, она обращалась с этой просьбой к его отцу – князю Н. Б. Голицыну, но получила отказ. Впоследствии Юрий Голицын всегда с благодарностью и большой любовью говорил о своей тетке Долгоруковой.
В 1831 году в составе гвардейского корпуса Илья Андреевич участвовал в подавлении Польского восстания, где участвовал во многих сражениях, причем, особенно отличился 5 мая в арьергардном деле при селе Старом Якаце, где, невзирая на сильный огонь противника, мужественно бросился к мосту на речке, протекавшей у этого селения, и хладнокровно распорядился уничтожением переправы, чем много облегчил положение нашего арьергарда. 9 мая, командуя артиллерией вместо генерал-майора Бибикова, вновь отличился при переправе наших войск через реку Нарев у села Жолтки. За это князь Долгоруков был награжден орденом Святого Георгия 4-й степени. В августе князь находился в авангарде графа Витта и, участвуя почти во всех делах этого отряда, награжден был золотою шпагою с надписью «За храбрость». За штурм передовых укреплений и городового вала Варшавы был награжден орденом Святого Станислава 2-й степени со звездою.
В 1832 году последовало утверждение князя Долгорукова в должности начальника штаба его Высочества по управлению генерал-фельдцейхмейстера, а в 1833 – производство его за отличие в генерал-майоры с оставлением в должности начальника штаба и по гвардейской пешей артиллерии. В 1836 году Илье Андреевичу было поручено «иметь наблюдение» за артиллерийским училищем, а в 1844 году за отличие он был произведен в генерал-лейтенанты, с оставлением в прежней должности.
С 1844 года князь Долгоруков принимал участие в обсуждении технических вопросов, участвуя в разработке вопросов об улучшении штуцеров и ружей русской армии, в составлении правил для руководства по постройке новой артиллерии, по введению у нас зажигательных ракет и т. д. С 1848 года – генерал-адъютант. Масон. Входил в состав ложи «Соединенных друзей». Член, а затем блюститель ложи «Трех добродетелей».
