Selanjutnya, Ilhamsyah menjabat sebagai Strategic Procurement Manager di Pos Logistics Indonesia dari Desember 2016 hingga September 2017. Setelah itu, ia menjadi General Manager Supply Chain and Logistic di PT. Surabaya Industrial Estate Rungkut dari Oktober 2017 sampai Desember 2018.
Ilham juga memiliki catatan pengalaman kerja yang cukup beragam dengan sembilan pengalaman kerja dan satu pengalaman magang di berbagai sektor dan industri.
Selanjutnya, Ilhamsyah bekerja di PT Semen Indonesia Logistik (SILOG) selama tiga tahun sepuluh bulan. Di perusahaan tersebut, Ilham menempati jabatan Director of Business and Operation selama 2019 serta berhasil naik jabatan menjadi Presiden Direktur sejak akhir 2019 hingga Oktober 2022.
Ilham kemudian melanjutkan karirnya di MIND ID dari Oktober 2022 sampai Februari 2024. Selama periode tersebut, Ilham menjabat sebagai Senior Vice President - Head of Commercial Strategy serta Senior Vice President - Head of Program and Project Management.
Sebelum menduduki jabatan sebagai Direktur Utama PT Inalum, Ilhamsyah Mahendra menjabat sebagai Presiden Direktur PT Sinergi Mitra Lestari sejak Februari 2024.
