На фронт Николай Ильменёв был призван по мобилизации Уметским райвоенкоматом Тамбовской области 23 июня 1941 года. Присягу принял 7 июля 1941 года при 869 стрелковом полку 271 стрелковой дивизии 51 армии в Орле.

В сентябре 1941 года полк, в котором служил Ильменёв, был направлен в Крым. Там произошло несколько столкновений с противником. 869 стрелковый полк участвовал в контрударе на окраине Армянска. В тех боях 28 сентября 1941 года Николай Иванович был тяжело контужен и выбыл из строя более чем на полгода. Лечился в эвакогоспитале № 2463 в Тбилиси Грузинской ССР.

В апреле 1942 года, после госпиталя Николая Ивановича направили в 33 штабную батарею управления командующего артиллерией 38 армии заместителем командира взвода связи. В это время армия вела оборонительные бои и предпринима­ла наступление с ограниченными це­лями в районах городов Волчанск и Балаклеи Харьковской области Украинской ССР.

В июле 1942 года подразделения 38 армии вели боевые действия в составе Сталинградского фронта.

С сентября 33 штабная батарея в составе Воронежского фронта принимала участие в оборонительных и наступательных боях под Воронежем.

В январе — марте 1943 года участвова­ла в Воронежско-Касторненской операции и Харьковской насту­пательной операциях.

В ходе оборонительного сражения Курской битвы армия прикрывала основные силы фронта от ударов противника с северо-запада, принимала участие в отражении наступления противника на обоянском и прохоровском направлениях.

В сентябре 1943 года 38-я армия участвовала в освобождении Левобереж­ной Украины. Преследуя отходящие войска противника, освободили города Сумы, Ромны, Прилуки . В конце сен­тября форсировали Днепр севернее Киева и захватили плацдарм в районах западнее Сваромье, Лютежа, Ново-Петровска. В тех боях Николай Иванович получил легкое ранение, но остался в строю.

С конца 1943 года до начала осени 1944 года Николай Иванович в составе своего подразделения освобождал Правобережную Украину. В боях Львовско-Сандомирской стра­тегической операции он отличился и был представлен к награждению орденом Красной Звезды, однако получил медаль «За боевые заслуги».

Осенью 1944 года Николай Ильменёв принимал участие в боях в Карпатских горах, на границе современных Польши и Словакии.

19 ноября под сильным артиллерийским и миномётным огнём противника телефонный провод главной линии несколько раз был повреждён. Было необходимо восстановить связь. Стояла дождливая ночь. Выполнение задачи было под силу только опытному связисту, и ее поручили Ильменёву. За ночь он восстановил 5 порывов. Находясь в центре разрывов мин, на обратном пути Ильменёв подобрал раненого бойца своего подразделения тов. Крылова и доставил его в санчасть.

В том числе и за этот подвиг Николай Иванович был представлен и награжден орденом «Отечественная война» II степени.

Впереди было участие в Запад­но-Карпатской стратегической и Моравско-Остравской опе­рациях, в ходе которой был освобождён одноимённый промышленный район Чехословакии. Там и застала Николая Ивановича весть об окончании войны. Но демобилизовался старший сержант Ильменёв только в октябре 1945 года.

Николай Ильменёв награждён орденом«Отечественной войны» II степени, медалями «За боевые заслуги» и «За победу над Германией».

Демобилизовавшись, Николай Ильменёв вернулся в родные края, и продолжил работать на Сергиевской МТС, возглавив бухгалтерскую службу. Через несколько лет станцию ликвидировали и семья Ильменёвых переехала в Кирсанов, где Николай Иванович устроился главбухом на нефтебазу.

Николай Иванович был примером и в семье. С большой любовью, добротой и вниманием относился к своей супруге Марфе Герасимовне, вместе с которой вырастили и воспитали троих детей – дочь Нину и сыновей Геннадия и Юрия. Очень любил «возиться» со своей первой внучкой Верочкой. В свободное время любил читать художественную литературу, особенно А.П. Чехова и Ч. Диккенса.