Ilonna Grimaudo est la benjamine d’une famille d’artistes originaire de Marseille. Poussée par sa mère productrice et manager, Nessrine Boukmiche, elle entame sa carrière dès l’âge de 4 ans. Initiée à la danse hip-hop, à la gymnastique et à la boxe thaïlandaise, Ilonna Grimaudo acquiert rapidement plusieurs compétences artistiques.

C'est en 2017, alors âgée de 8 ans et après s'être installée en région parisienne avec sa famille, que la jeune fille fait ses premiers pas dans le cinéma, sans jamais avoir pris de cours de théâtre. Elle se distingue notamment dans le long-métrage Tu me ressembles, réalisé par Dina Amer et produit par Spike Lee, et dans lequel elle tient le rôle principal, aux côtés de sa soeur, Lorenza Grimaudo. Elles y interprètent deux banlieusardes à l’enfance difficile, que la vie va séparer brutalement. Le film est nominé dans plusieurs festivals internationaux, et remporte de multiple récompenses.

Ilonna Grimaudo enchaîne avec un second rôle en 2021, dans le film Neneh Superstar réalisé par Ramzi Ben Sliman.