En el año 1918 comenzó sus estudios de Medicina en la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires. Ese mismo año estalló en Córdoba el movimiento estudiantil conocido como Reforma Universitaria, que sentó los principios de la universidad gratuita, libre y cogobernada y modificó profundamente la concepción y administración de la educación superior en la Argentina y en gran parte de América Latina.
En 1928 tuvo una entrevista (la única en toda su vida) con el entonces Presidente de la Nación, Dr. Hipólito Yrigoyen, a quien le ofreció sus servicios como médico. Yrigoyen le propuso trabajar como médico ferroviario en distintas localidades y Arturo Illia decidió radicarse en Cruz del Eje, Córdoba. Desempeñó su actividad de médico en esa localidad desde 1929 hasta 1963, interrumpidos por los tres años (1940-1943) en que fue vicegobernador de Córdoba. Lo llamaban el Apóstol de los Pobres, por su dedicación a los enfermos sin recursos, viajando a caballo, en sulky, o a pie, para llevar medicamentos que él mismo compraba.
Se afilió a la Unión Cívica Radical al llegar a la mayoría de edad, en el año 1918, fuertemente influido por la activa militancia radical de su padre y de su hermano Italo. Ese mismo año comenzó sus estudios universitarios en medio de la movilización juvenil que acompañaba la Reforma Universitaria y a partir de 1929, año en que se radicó en Cruz del Eje, inicia una intensa actividad política que alterna con su actividad profesional.
En 1935 fue electo Senador Provincial por el Departamento de Cruz del Eje en las elecciones celebradas el 17 de noviembre. En el Senado Provincial participó activamente en la aprobación a la Ley de Reforma Agraria, que fuera aprobada por la Legislatura de Córdoba pero rechazada en el Congreso de la Nación. Presidió la Comisión de Presupuesto y Hacienda e impulsó la construcción de las represas de Nuevo San Roque, La Viña, Cruz del Eje y Los Alazanes.
En las elecciones del 10 de marzo de 1940 es electo Vicegobernador de Córdoba, acompañando al Gobernador Santiago del Castillo, cargo que asume el 17 de mayo de 1940, hasta que la Provincia es intervenida el 19 de junio de 1943.
El 20 de abril de 1948 asume como Diputado de la Nación, cargo que desempeña hasta el 30 de abril de 1952. Formó parte de las Comisiones de Obras Públicas e Higiene y Asistencia Medicinal.
Luego de la muerte de Amadeo Sabattini, fue reconocido como representante indiscutido del sabattinismo, o Línea Córdoba. Luego del golpe de estado del 16 de septiembre de 1955 que derrocó al Presidente Juan Domingo Perón se reinició un largo período de inestabilidad política en la Argentina. Los militares proscribieron al peronismo y sus simpatizantes recurrían una y otra vez al voto en blanco para expresar su rechazo a las elecciones convocadas sin su participación.
Arturo Illia asumió la Presidencia de la Nación el 12 de octubre de 1963. Su primer acto de gobierno consistió en eliminar las restricciones que pesaban sobre el peronismo. Desde la Revolución Libertadora las manifestaciones de ese partido estaban prohibidas por el Decreto 4161/56, sin embargo cinco días luego de que Illia asumiera el gobierno se realizó un acto conmemorativo por el 17 de octubre en Plaza Miserere sin limitación alguna. De la misma manera se levantaron las restricciones electorales, habilitando la participación del peronismo en los comicios legislativos del año 1965. También se levantó la prohibición que pesaba sobre el Partido Comunista y se promulgaron penalidades a la discriminación y violencia racial.
El 15 de junio de 1964 se publica en el Boletín Oficial la Ley 16.459, del salario mínimo, vital y móvil, previa a la constitución del Consejo del Salario, integrado por representantes del Gobierno, los empresarios y los sindicatos.
Arturo Frondizi había iniciado en su gobierno una política de explotación petrolera basada en la locación de obras de los yacimientos a empresas privadas reservando a la empresa estatal Yacimientos Petrolíferos Fiscales (YPF) la actividad de exploración y la compra de la producción a las empresas concesionarias. A las objeciones de carácter económico y comercial (como el traslado del riesgo empresario a YPF que debía realizar la inversión en nuevas exploraciones, o el aumento de los precios de los combustibles), la plataforma electoral de Illia denunciaba la política por ser consideradas concesiones y no locaciones. Además por considerarla contraria a los intereses nacionales se comprometió a anular los contratos de concesión.
El 15 de noviembre de 1963 Illia firmó los Decretos 744/63 y 745/63 que anulaban dichos contratos por "vicios de ilegitimidad y ser dañosos a los derechos e intereses de la Nación".Durante su gestión de gobierno, la educación tuvo un peso significativo en el Presupuesto Nacional. En el año 1963, su participación era del 12%, en el año 1964, del 17%, en el año 1965, del 23%.
En materia económica, el gobierno de Arturo Illia tuvo una política de ordenamiento del sector público, de disminución de la deuda pública y de impulso a la industrialización. Se creó la Sindicatura de Empresas del Estado, para un control más eficaz de las empresas públicas.
