В его следственном деле имеется несколько протоколов допросов. От 10 апреля 1937 г., в котором ему задают вопросы о том, откуда у него в доме появилась коллекция оружия; второй допрос от 10 апреля 1937 г., с вопросами о круге его близких и знакомых; протокол допроса от 13 апреля 1937 г., в котором он рассказывает о работах в КБ2, со дня его основания до момента своего ареста; протокол допроса от 8 мая 1937 г., в котором Н.Я. Ильин отчитывается за подотчетные суммы, полученные им в 1936 г. на покупки антиквариата по просьбе М.Н. Тухачевского; а также протокол от 9 июня 1937 г. (и его машинописная копия), в котором Н.Я. Ильин признает себя участником военнотроцкистского заговора, говорит о вредительской деятельности и называет участников этого заговора. Интересно, что в этой напечатанной копии цифра «9» была вписана от руки позже, что говорит о такой же заготовке протокола, как и в более позднем случае с Г.Э. Лангемаком. По содержанию этого протокола можно сделать однозначный вывод, что Н.Я. Ильин был арестован как помощник М.Н. Тухачевского, против которого из Н.Я. Ильина выбивали показания. Ни один из последующих протоколов ничем не связан с предыдущим. Все они, кроме последнего (с «признанием» Н.Я. Ильина), писались следователем следом за допрашиваемым. Что касается последнего протокола с признаниями подследственного, то его следователи сочиняли в течение целого месяца. Сейчас мы уже не узнаем, через что пришлось пройти Николаю Яковлевичу, чтобы подписать эту ерунду. Можно сказать одно: месяц он отказывался, но в конце концов сломленный, подписал.
Помимо указанных протоколов в деле есть еще показания Я.Д. Узара, бывшего начальника Института инженеров гражданского флота, которые, по мнению следователей, подтверждают виновность Н.Я. Ильина.