Après plusieurs années de karting, Callum Ilott commence son parcours en monoplace en 2015 en intégrant directement le championnat d'Europe de Formule 3 au sein de l'équipe Red Bull Junior, sans passer par les Formules Renault ou 4. Après une période d'apprentissage, il rejoint la Ferrari Driver Academy en 2017. La même année, il termine quatrième du championnat d'Europe de Formule 3 avec l'écurie Prema, avec six victoires et dix pole positions à son actif. En 2018, il participe aux GP3 Series avec l'écurie ART Grand Prix et se classe troisième du championnat, ce qui lui permet d'accéder à l'échelon supérieur.
En 2019, il fait ses débuts en Formule 2 avec le Sauber Junior Team by Charouz. Il y signe ses premiers podiums et une pole position sur le circuit de Barcelone. Sa progression s'accélère en 2020, lorsqu'il rejoint l'écurie UNI-Virtuosi Racing. Il se bat pour le titre mondial toute la saison, remportant trois victoires et cinq pole positions. Il termine vice-champion du monde, derrière Mick Schumacher. Cette année-là, il participe à la séance d'essais libres du vendredi matin lors du Grand Prix de l'Eifel au volant d'une Haas-Ferrari.
En 2021, il occupe les fonctions de pilote d'essai et de réserve pour la Scuderia Ferrari et l'écurie Alfa Romeo Racing. Il participe à sa première séance d'essais libres officielle lors des Grands Prix du Portugal et d'Autriche, au volant d'une Alfa Romeo-Ferrari. La même année, il diversifie son expérience en participant aux 24 Heures du Mans dans la catégorie GTE Am avec l'écurie Iron Lynx, où il monte sur la troisième marche du podium de sa catégorie.
A la fin de l'année 2021, il oriente sa carrière vers les Etats-Unis en rejoignant l'écurie Juncos Hollinger Racing. Après trois courses initiales, il dispute sa première saison complète en IndyCar Series en 2022. Malgré les ressources limitées d'une structure à une seule voiture, il se qualifie en deuxième position lors de la finale à Laguna Seca. En 2023, il confirme sa pointe de vitesse en terminant cinquième lors de la première épreuve à St. Petersburg, puis à nouveau cinquième au Texas. Il termine le championnat à la seizième place du classement général.
En 2024, il intègre le Championnat du monde d'endurance (WEC) au sein de l'écurie privée Jota Sport. Il pilote une Porsche 963 dans la catégorie Hypercar. Le point culminant de son début de saison intervient en mai, lors des 6 Heures de Spa-Francorchamps, où il remporte la victoire au classement général aux côtés de Will Stevens. Cette victoire marque la première fois qu'une équipe cliente bat les constructeurs officiels dans l'ère moderne de la catégorie Hypercar.
Parallèlement à son programme mondial, il reste actif sur la scène américaine. En 2024, il assure l'intérim chez Arrow McLaren pour remplacer David Malukas, blessé, lors des premières manches de la saison IndyCar. Il participe notamment aux 500 Miles d'Indianapolis, où il réalise une belle remontée pour terminer onzième. Ses performances constantes entre l'endurance européenne et les circuits américains font de lui l'un des pilotes les plus polyvalents de la saison.
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