С 1924 года в журнале «Воробей» (позднее «Новый Робинзон») вёл «Химическую страничку» и «Лабораторию „Нового Робинзона“». В 1927 опубликовал книгу «Солнце на столе». Рассказы для детей о простых вещах «Сто тысяч почему» (1929). Печатался в журнале «Чиж». Книга о первой пятилетке «Рассказ о великом плане» (1930) и её продолжение — «Горы и люди» (1932), в которой пишет о работах академиков Н. И. Вавилова и Т. Д. Лысенко, о значении руководителей СССР И. В. Сталина и В. И. Ленина. В развитие этой темы написал книги «Сегодня и вчера», «Покорение природы». Также писал об истории культуры («Рассказы о вещах», «Как человек стал великаном» — совместно с Е. Сегал) и истории науки. Многие книги писателя оформил художник Н. Ф. Лапшин.
Сын — Борис Маршак, археолог; дочери — Евгения Маршак (1927—1996), редактор, и Марина Маршак (1941—1992), молекулярный генетик.
Племянник — Юрий Альфредович Менакер (псевдоним Георгий Юрмин), детский писатель; воспитывался в семье Ильина пока его мать с отчимом находились в ссылке.
Рассказ о великом плане, 1930 (история первой пятилетки, переведённая на многие языки; наполнена оптимистическим задором, стремлением покорить природу).
Горы и люди: Рассказы о перестройке природы; для начальной школы , 1935
Рассказы о вещах, 1936 (сборник: «Сто тысяч почему», «Солнце на столе», «Который час?», «Черным по белому», «Как автомобиль учился ходить»).
Искусственный глаз, 1941.
Как человек стал великаном, 1946 (совм. с Е. Сегал; история развития человечества со времен палеолита до Возрождения).
Путешествие в атом, 1948 (совм. с Е. Сегал).
Завод-самоход, 1949.
Покорение природы, 1950.
Александр Порфирьевич Бородин, 1952 (совм. с Е. Сегал).
Рассказы о том, что тебя окружает (совм. с Е. Сегал). Кн.1. В нашем городе, 1955; Кн. 2. Откуда приходят вещи, 1956.
Капица Ф. С. Ильин М. // Русские детские писатели XX века: Биобиблиографический словарь. — М.: Флинта; Наука, 1997. — С. 199—201. — ISBN 5-02-011304-2.