Estudou física na Universidade de Moscova, onde se graduou en 1930. En 1934 descubriu o denominado efecto Cherenkov. Ilya Frank realizou xunto a Igor Tamm a explicación teórica deste efecto, que ocorre cando as partículas viaxan cun medio opticamente transparente a velocidades maiores que a velocidade da luz neste medio. Este descubrimento deu lugar ao desenvolvemento dos novos métodos para detectar e medir a velocidade de partículas nucleares de alta velocidade e foi de grande importancia para a investigación en física nuclear. O traballo de Frank tamén incluíu a colaboración con Cherenkov e Tamm na investigación sobre a radiación do electrón.
Posteriormente Frank especializouse no estudo de raios gamma e o neutrón. Nomeada cabeza do departamento da física da universidade do estado de Moscova o ano 1944,foi membro da Academia de Ciencias da URSS desde 1946.
