Будущий Лауреат Нобелевской премии и обладатель золотой медали Сергея Вавилова родился в Санкт-Петербурге. После школы поступил в Московский Государственный Университет имени Ломоносова, который успешно окончил в 1930 году. Являясь студентом, стал работать в лаборатории Сергея Вавилова, под руководством которого исследовал тушение люминесценции в жидкостях.
В начале 1930-х годов по инициативе Сергея Вавилова начал заниматься изучением физики атомного ядра и элементарных частиц, в частности открытого незадолго до этого явления рождения гамма-квантами электронно-позитронных пар.
Франк в 1935 году успешно защитил докторскую диссертацию на тему: «Элементарные процессы при оптической диссоциации». Принимал активное участие в создании и пуске реакторов ИБР-1 и ИБР-2 и создании ядерного реактора Ф-1.
В 1937 году выполнил совместно с Игорем Таммом классическую работу по объяснению эффекта Вавилова-Черенкова. В военные годы, когда лабораторию эвакуировали в Казань, Илья Франк интенсивно включился в работу, связанную с необходимостью решения в кратчайший срок атомной проблемы для национальной безопасности страны.
Уже в 1946 году организовал лабораторию атомного ядра. Параллельно Франк выступал организатором и директором Лаборатории нейтронной физики «Объединенного института ядерных исследований» в Дубне, заведующим «Лабораторией Института ядерных исследований» Академии наук СССР, профессором Московского университета и заведующим лабораторией радиоактивных излучений «Научно-исследовательского физического института МГУ».
Основные работы Франка принадлежат к области оптики, нейтронной и ядерной физики низких энергий. Его достижения и открытия трудно переоценить. Илья Михайлович явился инициатором исследования короткоживущих квазистационарных состояний и деления ядер под действием мезонов и частиц высоких энергий. Выполнил ряд экспериментов по исследованию реакций на легких ядрах, в которых испускаются нейтроны, взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами трития, лития и урана, процесса деления. Ученый принял участие в строительстве и запуске импульсных реакторов на быстрых нейтронах и создал школу физиков.
В 1958 году Илье Франку присуждена Нобелевская премия за открытие и истолкование эффекта Вавилова-Черенкова. Помимо этого получил Государственные премии и золотую медаль Вавилова.
Илья Михайлович Франк скончался 22 июня 1990 года в Москве, в возрасте 81 года. Похоронен российский лауреат Нобелевской премии на Введенском кладбище столицы.