Начало его научной деятельности связано с изучением подмосковных усадеб, но круг интересов был шире: от памятников конца XVI в. до псевдоготики XVIII в. В 1920 гг. М.А. Ильин опубликовал ряд статей, до сих пор сохранивших научное значение. В одной из них, посвящённой храмам в усадьбах Годуновых, впервые поставил вопрос о самостоятельном значении архитектуры конца XVI в. Под влиянием научного руководителя Алексея Ивановича Некрасова М.А. Ильин занялся поиском образных характеристик русского зодчества, развитие которого увязывал с изменениями в состоянии государства. В этот период были опубликованы его критические статьи об архитектуре клубных зданий и промышленных учреждений, о сложении ансамблей улиц и площадей, определяющих облик Москвы, о творчестве архитекторов Константина Степановича Мельникова, братьев Весниных (Александра, Виктора и Леонида Александровичей). После возвращения из ссылки, когда изучение классицистической традиции представлялось наиболее востребованным и возможным, М.А. Ильин опубликовал статьи о творчестве Василия Ивановича Баженова, Матвея Фёдоровича Казакова, архитектора Ивана Александровича Фомина, о палладианской традиции в архитектуре XVIII в.; занимался памятниками XVIII в., с архитектором Леонидом Ильичом Баталовым участвовал в натурном изучении мавзолея Барышниковых в усадьбе Николo-Погорелое. М.А. Ильин принимал участие во всех программных послевоенных изданиях, в том числе в сборнике статей «Памятники искусства, разрушенные немецкими захватчиками в СССР» (1948 г.), где была помещена его работа о мавзолее в Николo-Погорелом. После войны появилась возможность вернуться к изучению древнерусской архитектуры, и в 1951 г. в сборнике Института истории искусства АН СССР вышла статья М.А. Ильина об архитектуре времени царя Бориса Годунова, которая обосновывала концептуальную связь между программой произведения и контекстом эпохи. В 1950 гг. М.А. Ильин начал работать над главами возобновившегося многотомного издания «История русского искусства», выходившего (как и в начале ХХ в.) под редакцией Игоря Эммануиловича Грабаря. Позиция М.А. Ильина (представление о существовании двух культур (посадской и феодальной) и о светских демократических началах русской культуры) на долгое время определила новое понимание процессов в древнерусской архитектуре; исследователи сопоставляют её с теорией социологизированной истории древнерусской архитектуры, попытки создания которой предпринимались в 1920–1930 гг. Подобно А.И. Некрасову, М.А. Ильин пытался определить тенденции в культуре, вызывающие изменения в архитектурной образности, и выявить влияние социальных групп на формообразование в зодчестве. Ввёл в научный оборот материалы натурных исследований, проводившихся в основном в 1920–1930 гг. членами ОИРУ и сотрудниками ЦГРМ при реставрации или разборке памятников, обречённых на снос.