Тренерскую карьеру Илья Петрович начал в молодёжном клубе «Локо» из Ярославля в сезоне 2011/12. В декабре 2011 наставник стал тренером возрождаемого «Локомотива», который тогда выступал в ВХЛ.
В «Металлург» Илья Воробьёв пришёл в мае 2012 года, заняв должность старшего тренера команды. В штабе Майка Кинэна он выиграл Кубок Гагарина-2014, а в октябре 2015 года Илья Петрович стал уже главным тренером «Металлурга», и в первый же для себя сезон выиграл Кубок Гагарина в семиматчевой серии против ЦСКА. Вместе с Магниткой Илья Воробьёв также завоевал серебряные награды сезона 2016/17.
С 2016 года Илья Воробьев постоянно входил в тренерский штаб сборной России. В апреле 2018 года был назначен заместителем главного тренера национальной команды. В июне его повысили до должности главного тренера. Также возглавлял тренерский штаб СКА.
В сентябре 2019 года Илья Петрович снова возглавил «Металлург», сменив Йозефа Яндача. В сезоне 2021/22 вместе с Магниткой стал обладателем серебряных наград КХЛ.
