Опухоль артиста была неоперабельной, и врачи посоветовали ему пройти курс химиотерапии. Кроме того, Олейников испробовал экспериментальное лечение стволовыми клетками, но оно не помогло, а, возможно, даже ухудшило состояние здоровья Ильи Львовича. Актеру становилось сложнее говорить, и в последних выпусках «Городка» его озвучивал Геннадий Богачев.
«У него голос стал постепенно тухнуть, и когда сделали томографию, стало понятно, что опухоль пережимает нерв со связками. Его лечили химиотерапией и лучевой терапией. После них у него начинались приступы икоты. Я попросил играть его икающим, а он ответил: «Юра, это же ужасно». У него кружилась голова, его тошнило, но он не сорвал ни одного съемочного дня», — рассказывал Стоянов в программе «Судьба человека».
Именно Юрий Николаевич заметил, что в один из дней коллега выглядел особенно плохо. Оказалось, у Олейникова поднялась температура. Прямо со съемочной площадки его увезла скорая. Больше актеры никогда не говорили: Илью Львовича погрузили в медикаментозный сон, чтобы его ослабленный организм восстановился, но артист не проснулся. «10 ноября вечером, уходя домой, я тихонько сказала ему: «Илюшенька, солнышко, держись», рядом стоял врач и заметил, что он повернул голову на мой голос. Реаниматолог объяснил, что он скорее всего меня услышал. А 11 ноября в половине пятого утра сердце Ильи остановилось. Ему было всего 65. Муж всегда боялся смерти, кладбищ и разговоров о тяжелых болезнях», — делилась супруга юмориста.