Является главным героем русских былин, записанных в XVIII—XX вв. в основном в Олонецкой и Архангельской губернии и в Сибири.
Не упоминается в летописях. Молчание великорусских летописей об Илье Муромце, вероятно, свидетельствует о юго-западнорусском происхождении относящегося к богатырю предания. По-видимому, возникновение и первоначальное распространение посвященных Илье Муромцу фольклорных текстов связаны с украинско-белорусскими землями, к которым относятся наиболее ранние — относящиеся к XVI веку — письменные свидетельства о существовании связанного с ним предания.
Наиболее ранняя великорусская письменная фиксация предания об Илье Муромце содержится в «Сказании о киевских богатырех, как ходили во Царьград», известном в списках начиная с XVII века.
В подавляющем большинстве былин рассказывается о происхождении Ильи Муромца из Мурома. В былине об исцелении Ильи Муромца рассказывается, что из-за греха своего деда Илья Муромец до 30 лет не владел ногами (был «сиднем»), днем и ночью молился и клал поклоны. После того как неизвестные странники напоили его водой, он встал на ноги и ощутил в себе необыкновенную силу. Наиболее распространенными и древними являются былины об Илье Муромце и Соловье-разбойнике.
Первое документальное свидетельство об отождествлении Ильи Муромца богатыря и святого, мощи которого почивают в Киеве, содержится в записках австрийского дворянина Э. Лясоты, посетившего Киев в 1594 году. Путешественник записал, что он видел во внешнем притворе Софийского собора место, где «была некогда гробница Илии Моравлянина, который был славным богатырем, как они его здесь называют, и о котором рассказывают много легенд».
Преподобный Илия почивает в молитвенном положении, сложив персты правой руки так, как принято и теперь в Православной Церкви — три первые перста вместе, а два последние пригнув к ладони. В период борьбы со старообрядческим расколом (конец XVII—XIX вв.) этот факт из жития святого служил сильным доказательством в пользу трехперстного сложения.
Предание об Илье Муромце как о богатыре было подтверждено медико-антропологическим исследованием святых мощей, которое проводилось в 1988-1990 годах.
Исследование показало, что Илья Муромец был погребен в XI-XII вв., имел высокий для своего времени рост (177 см), исключительно развитую мышечную систему, в юности страдал заболеванием позвоночника, которое привело к перестройке организма. Экспертиза обнаружила несколько переломов ребер и правой ключицы, сквозную рану на левой руке, проникающее ранение груди (вероятно, копьем), которое, по всей видимости, послужило причиной смерти (в возрасте 40-55 лет).
Был канонизирован как местночтимый святой в 1684—1690 годах, когда при киево-печерском архимандрите Варлааме установилось празднование преподобным отцам, почивающим в Ближних пещерах, в 1-ю субботу по отдании праздника Воздвижения Креста Господня.
Общецерковное почитание установлено указами Святейшего Синода 1762, 1775 и 1784 годов, согласно которым было разрешено печатать службы печерским преподобным и вносить их имена в общецерковные московские месяцесловы.