В 1936 году был направлен в Испанию советником и инструктором диверсионно-разведывательной группы Доминго Ун-грии, ставшей к 1937 году 14-м партизанским корпусом республиканских войск. По возвращении в СССР назначен начальником Центрального научно-испытательного железнодорожного полигона. В качестве начальника группы по разминированию железных дорог участвовал в советско-финской войне 1940 года. Был тяжело ранен. В годы Отечественной войны возглавлял оперативно-учебный центр Западного фронта (с июля 1941 г.), командовал 51-й отдельной инженерной бригадой специального назначения (с июня 1942 г.), был помощником начальника Центрального штаба партизанского движения по диверсиям.
В мае 1943 года его переводят в Украинский штаб партизанского движения, в мае 1944 года — в Польский штаб партизанского движения. В августе 1944 года он становится начальником штаба военной миссии при главкоме Народно-освободительной армии Югославии. В годы войны неоднократно забрасывался в тыл противника, стал организатором ряда известных диверсионных акций, в том числе подрыва 256 больших и средних мостов.
Одним из первых в мире применил на практике управляемую по радио мину. После окончания Великой Отечественной войны в качестве заместителя начальника управления восстановительных работ по войскам занимался ремонтом железных дорог.
В 1956 году в звании полковника ушёл в отставку из рядов Вооружённых Сил СССР. В последующем работал старшим научным сотрудником отдела истории Великой Отечественной войны Института марксизма-ленинизма при ЦК КПСС (1958–1962 гг.). С 1966-го по 1973 год преподавал в учебных заведениях КГБ СССР. В 1984 году ему было присвоено учёное звание профессора по специальным дисциплинам.
Илья Григорьевич Старинов был награждён двумя орденами Ленина, орденом Октябрьской революции, пятью орденами Красного Знамени, орденом Отечественной войны I степени, орденом Дружбы народов, многими другими наградами СССР, России и ряда иностранных государств. Несколько раз представлялся к присвоению звания Героя Советского Союза и генеральского звания.
Являлся разработчиком ряда минно-подрывных устройств, в том числе ПМС («поездной мины Старинова») и АС («автомобильная — Старинова»), автором более ста военно-научных работ, а также книг «Записки диверсанта», «Партизанская война» (издана для служебного пользования. — Примеч. В.К) и других изданий. В своих монографиях и статьях И.Г. Старинов рассмотрел возможный «локальный» характер третьей мировой войны, что в свете современной борьбы с терроризмом приобретает особое значение и актуальность.