Über die Gründung des Ortes Illesheim liegen keine zuverlässigen Unterlagen vor. Man glaubt an eine Besiedlung in der ersten Hälfte des 5. Jahrhunderts. Heim des Illo oder Illen mag zum Namen Illesheim geführt haben.

Urkundlich wird Illesheim erstmals 1283 erwähnt. In Illesheim sollen insgesamt vier Schlösser bestanden haben. Die Geschichte Illesheims wird daher insbesondere durch das dort einmal ansässige Rittertum geprägt. Genannt seien hier insbesondere Eppelein von Gailingen, der 1310 auf Schloss Röllingshausen bei Illesheim geboren worden ist und der durch Goethe weltberühmte Ritter Götz von Berlichingen, der ebenfalls Besitztümer in Illesheim hatte.

Einschneidende Veränderungen für Illesheim brachte 1935/36 der Bau eines Notlandeplatzes für Flugzeuge auf der Illesheimer und der Urfersheimer Gemarkung mit sich. Die Landwirtschaft musste hierfür große Landverluste hinnehmen. Für die Offiziere und Unteroffiziere wurde zwischen Bahnlinie und Dorf eine Siedlung errichtet.

Nach dem Krieg wurden die Siedlungshäuser an Heimatvertriebene verkauft. 1955 wurde der Ort an die Fernwasserversorgung angeschlossen. 1965 bis 1972 wurde die Ortskanalisation mit Anschluss an die Kläranlage in Bad Windsheim errichtet. In den Jahren 1967 und 1968 wurde eine Aussegnungshalle und ein Kriegerehrenmal errichtet.

Während der Gebietsreform wurde im Jahre 1975 mit den Gemeinden Urfersheim und Westheim eine Großgemeinde gebildet, seit 1978 ist die Gemeinde Illesheim Mitglied der Verwaltungsgemeinschaft Burgbernheim.

1993 wurde für die Gesamtgemeinde ein Kindergarten errichtet, der auch den Kindern aus der Kaserne „Storck Barracks“ offen steht und zweisprachig geführt wird. 1994/95 wurde die Kanalisation in Illesheim generalsaniert. In den Jahren 1993 und 2002 wurden in Illesheim die Baugebiete „Unteres“ und „Mittleres Flürlein“ erschlossen. Eine wohltuende Änderung des dörflichen Geschehens brachte die im Jahre 1996 erfolgte Eröffnung der Umgehungsstraße der B 470. Durch die nahe liegende Umgehungsstraße wurde zwar die Entwicklung des Ortes stark eingeschränkt, die Wohnqualität jedoch im Rahmen der Dorferneuerung durch den Rückbau der ehemals mit über 10.000 Fahrzeugen täglich belasteten Ortsdurchfahrt wesentlich gesteigert.