В 1931 году Илья Михайлович окончил семилетнюю среднюю школу, через два года — рабфак. Профессиональный выбор младшего Лифшица соответствовал выбору старшего брата. Тогда в Харькове стремительно развивалась физика. УФТИ стал гордостью города, о достижениях местных ученых писали всесоюзные газеты. Здесь работал талантливый и совсем еще юный Ландау — кумир интеллигентной молодежи. Так что Илья Лифшиц стал студентом физико-механического факультета Харьковского механико-машиностроительного института (позже ХПИ). Кстати, он отказался от учебы в консерватории, куда тоже успешно сдал экзамены. Всем окружающим было очевидно, что Лёля обладает уникальными способностями к точным наукам. Причем к математике не меньше, чем к физике. Для того чтобы получить соответствующую базу и в этой области, в 1935 году Илья параллельно с физикой стал заниматься математикой на математическом отделении физико-математического факультета Харьковского государственного университета. Курс этого отделения он прошел за год. Виртуозное владение математическим аппаратом всегда отличало Илью Михайловича от многих других вполне приличных физиков. Более того, первые самостоятельные работы его касались именно математических проблем.
В 1938 году Лифшиц окончил физико-механический факультет, а за год до этого он уже стал научным сотрудником УФТИ. К тому времени он, а тем более — его брат были уже прекрасно знакомы с Дау. Вместе с Евгением Лев Давидович начал писать свой знаменитый курс теоретической физики. Но при этом будущий нобелевский лауреат достаточно откровенно признавался своей жене, что «Женька умен, жизненно умен, но совершенно не способен к творческому мышлению. А вот Илья дурак дураком, всю жизнь на поводу у Женьки, марки собирает… Но физик талантливейший!» Дураком Илья Михайлович, конечно, не был. Лев Ландау имел в виду, вероятно, лишь практическую смекалку, жизненную мудрость. Действительно, Илья Лифшиц отличался некоторой рассеянностью, был, по мнению его сотрудников, «антикарьеристом» — не умел и не хотел добиваться высоких званий и большой зарплаты ни для себя, ни для своих соратников и учеников. Марки же он в самом деле собирал с большим увлечением — был одним из виднейших филателистов всего Союза.
В 1939 году Ильмех (еще одно прозвище ученого, данное ему, вероятно, за его учебу на физико-механическом факультете) защитил кандидатскую диссертацию на тему «К теории твердых растворов». В 1941 году Илья Михайлович возглавил теоретический отдел УФТИ (так же, как и до него Ландау). В том же году (всего через два года после кандидатской) Илья Михайлович получил докторскую степень. Диссертация его называлась «Оптическое поведение неидеальных кристаллов в инфракрасной области».
За работы, проводившиеся в УФТИ под непосредственным руководством Ильи Лифшица во время войны, он был награжден медалью. В 1944 году Ильмех возглавил кафедру статистической физики и термодинамики ХГУ, которой руководил до 1967 года. Кафедру эту, впрочем, чаще называли просто «кафедра теоретической физики». Надо прямо сказать, что преподавательская деятельность в ХГУ для Лифшица так и не стала главным делом. Гораздо больше времени он проводил в своем отделе в Физико-техническом институте. Говорят, что в 40-х его еще нельзя было назвать искусным лектором, но со временем он резко повысил свое мастерство публичного преподавателя. К лекциям он готовился, намечая основные пути развития мысли, конкретных расчетов заранее не проводил, потому что был совершенно уверен (и справедливо) в своем знании математики. Часто лекции превращались в блестящую импровизацию, когда Лифшица увлекала неожиданная мысль, новая идея. Он быстро писал на доске, часто допускал неточности и тут же их сам исправлял. Вот как описывает его работу профессор Ульянов: «Стараясь поправить дело, он смущенно приговаривал, сосокая, «ссясссяс» («сейчас-сейчас»). Мы волновались в эти мгновения за него, сочувствовали, но он всегда быстро обнаруживал, в чем дело, с честью выходя из неловкой ситуации». Иногда Илья Михайлович по рассеянности клал в карман пиджака тряпку для стирания с доски. Интересно, что при этом профессор был всегда опрятен и чисто выбрит, следил за модой, хотя одевался неброско. Даже дома принимал любых посетителей при полном параде. Тот же профессор Ульянов утверждает, что Лифшиц напоминал французского актера Луи де Фюнеса — и живостью улыбки, и ростом, и подвижностью.