Илья совершил множество ратных подвигов, участвовал в огромном числе сражений, был неоднократно ранен. На склоне лет он после тяжелого ранения решил окончить свои дни иноком и постригся в Феодосиев монастырь (позже названный Киево-Печерской лаврой), где он замаливал свои грехи, вёл размеренный образ жизни. Монахом он был недолго (в Киево-Печерском патерике отсутствует житие преподобного Илии, что косвенно свидетельствует об этом).
По одной версии, Илья Муромец погиб в 1203 г. или в 1204 г. при взятии Киева, сопровождавшегося разгромом Печерской лавры, объединённым войском князя Рюрика и половцев. Ясно, что богатырь не мог оставаться в стороне от битвы, ему пришлось участвовать в ней. Он сразил очень многих врагов, но был сам тяжело ранен (по С. Хведченя, 1994).
Информацию, которую дал монах Киево-Печерского монастыря Афанасий Кальнофойский (в 1638 г. в типографии Лавры была напечатана его книга «Тератургима»), можно трактовать так: Илья, имевший прозвище Муромец, скончался в 1188 г. «Энциклопедический словарь Русской цивилизации» (составитель О.А. Платонов, 2000) называет кончину Ильи Муромца Печерского около 1188 г.
Илья Муромец был причислен РПЦ к лику святых в 1643 г. в числе ещё 69 гродников Киево-Печерской лавры, где в Ближних пещерах и в наши дни почивают его святые мощи. РПЦ отмечает память преподобного Илии Муромца Печерского 1 января по новому стилю и 11 октября в Соборе преподобных отцов Киево-Печерских. Русское воинство считает святого богатыря-воина Илью Муромца своим покровителем.
В Киеве в 1988 г. Межведомственная комиссия Минздрава УССР провела экспертизу мощей святого Ильи Муромца; использовали самую совершенную методику и сверхточную японскую аппаратуру. Исследования показали, что Илья Муромец был исключительно сильным человеком, имел высокий для средневековья рост 177 см (на голову выше своих современников). Учёные установили в поясничном отделе тела Ильи искривление позвоночника вправо и явно выраженные дополнительные отростки на позвонках, затруднявшие передвижение Ильи в молодости вследствие ущемления нервов спинного мозга. Были выявлены дефекты позвоночника, которые позволяют говорить о перенесении Ильёй в юности паралича конечностей (о чём говорится в былинах и житии Илии Муромца). Обнаружили следы многочисленных ранений и определили, что причиной его смерти был удар острого орудия (копья или меча) в грудь. Илья Муромец умер в возрасте 40—55 лет.