Родился 4 сентября 1925 года в селе Полойка ныне Краснозерского района Новосибирской области в семье служащего.Украинец.
Окончил 4 класса. Трудился в колхозе.
В рядах Красной Армии с января 1943 года. На фронте в Великую Отечественную войну с марта 1943 года.
3 сентября 1944 года разведчик 1819-го самоходного артполка (49-я армия, 2-й Белорусский фронт) рядовой Илющенко обнаружил находившиеся в засаде танки и штурмовые орудия противника, по которым затем нанесла удар наша артиллерия.
В бою за село Трошин (12 км юго-восточнее населенного пункта Остроленки, Польша) скосил из автомата 6 гитлеровцев.
29 сентября 1944 года награжден орденом Славы 3-й степени.
14–18 января 1945 года умело вел разведку, выявляя огневые позиции противника. 22 января 1945 года под населенным пунктом Пясечница (Польша) ефрейтор Илющенко обнаружил три замаскированных танка противника. В результате мощного огневого налета было выведено из строя два из них. 9 марта 1945 года награжден орденом Славы 2-й степени.
22 апреля 1945 года в боях за населенный пункт Зиггельков (юго-восточнее г. Пархи, Германия) Илющенко обнаружил две минометные батареи противника, затем подавленные нашей артиллерией.
29 апреля 1945 года в районе населенного пункта Дензов расстрелял из автомата три расчета фаустников. 1 мая 1945 года в бою западнее населенного пункта Дилейц истребил из личного оружия и гранатами до 15 гитлеровцев.
29 июня 1945 года награжден орденом Славы 1-й степени.
В 1946 году был демобилизован. Жил в городе Мариинске. Работал начальником вневедомственной охраны. Награжден медалями.
Умер Дмитрий Семенович Илющенко 25 августа 1980 года.
В Новосибирске имя полного кавалера ордена Славы Дмитрия Семеновича Илющенко увековечено на Аллее Героев у Монумента Славы [288, 453, 614, 639, 932, 943].