Он был арестован 18 марта 2015 года на своей квартире в Первомайске в рамках уголовного дела, возбужденного по статье «экстремизм».

За Сергея Ильченко заступались международные правозащитные организации и молдавские чиновники. В частности, с требованием освободить журналиста выступал Виктор Осипов.

На данный момент неизвестны детали освобождения Ильченко. По одной версии, он попал под амнистию. По другой - вышел, подписав «чистосердечное признание».

Известно, что в последние недели на Сергея Ильченко оказывалось серьезное давление в тюрьме. Журналист Ильченко весь период заключения под стражей содержался вместе с уголовниками, следователи неоднократно оказывали на него давление с требованием о признании вины, поскольку отсутствовали необходимые доказательства, и дело разваливалось.