1913年5月26日上午9時左右,在圣彼得堡科爾普斯內機場,一架被稱為“俄羅斯勇士”的大型四發動機飛機進行了首次試飛。當時,沙俄航空專家并不相信這架飛機能夠起飛。首次飛行由該機的設計者、圣彼得堡理工學院學生伊戈爾·伊萬諾維奇·西科斯基完成,他建造大型四發動機飛機的想法得到了波羅的海運輸公司董事長米哈伊爾·弗拉基米羅維奇·希德洛夫斯基的支持。之后,西科斯基開始設計伊利亞·穆羅梅茨大型飛機。

伊利亞·穆羅梅茨的第一架原型機(編號107)于1913年12月10日由西科斯基駕駛從圣彼得堡科爾普斯內機場首飛。1914年2月12日,該機運載16人和一只狗升空,總重1290千克,這次創紀錄飛行也由西科斯基本人駕駛。
到1914年8月1日沙俄參加第一次世界大戰時,伊利亞·穆羅梅茨已經建造了4架。1914年9月,這批飛機全部交付沙俄空軍。當年12月10日,沙皇批準了軍事委員會關于組建伊利亞·穆羅梅茨轟炸機中隊的決議,成為世界上第一支轟炸機部隊。1915年2月15日,該中隊的飛機首次執行戰斗任務。
戰爭爆發后,波羅的海運輸公司開始生產伊利亞·穆羅梅茨B系列飛機,共生產了30架。該型號機組4人,正常載彈量約80千克,特殊情況下可達240千克。1915年秋,該機使用當時世界上最大的炸彈(重達410千克)進行了一次轟炸實驗。
1915年,伊利亞·穆羅梅茨G系列開始生產(機組7人)。其中,1916年生產G-1、G-2,1917年生產G-3、G-4。從1915年至1916年,還生產了3架D系列飛機,并一直持續到1918年。
從1913年至1918年,沙俄共制造了83架伊利亞·穆羅梅茨。它們創造了軍事航空史上的多項第一,如首次從重型轟炸機上進行轟炸、首次對敵方目標進行轟炸機群突襲、首次夜間轟炸和首次航空攝影轟炸效果評估,它也是第一種以單機與多架敵方戰斗機進行空戰的轟炸機。
第一次世界大戰期間,沙俄空軍接收了60架伊利亞·穆羅梅茨,出動400架次、投彈65噸、擊落敵機12架。在整個戰爭期間,伊利亞·穆羅梅茨被敵方飛機直接擊落的只有1架,因其他原因被擊落3架。
1916年9月12日,在與4架德國“信天翁”式戰斗機的空戰中損失了第一架伊利亞·穆羅梅茨,同時3架德機被擊落。該機最常見的損失原因是技術問題和各種事故,約有24架因此而損失。
1919年8月至9月,蘇聯紅軍在奧廖爾州使用2架伊利亞·穆羅梅茨作戰。1920年,紅軍在蘇波戰爭和與白軍的戰斗中多次使用該型機。1920年11月21日,紅軍的伊利亞·穆羅梅茨進行了最后一次戰斗飛行。
1921年5月1日,莫斯科至哈爾科夫郵政和客運航線開通,由6架伊利亞·穆羅梅茨運營,但因發動機和機身嚴重磨損于1922年10月10日停運,期間共運送60名乘客和約2噸貨物。其中一架郵政飛機后來被轉移到謝爾普霍夫航空學校,并在1922年至1923年進行了約80次訓練飛行。
沙俄空軍裝備的伊利亞·穆羅梅茨B重型轟炸機三視圖,1915年涂裝