Ilja Martschenko (ukrainisch Илья Марченко, engl. Transkription: Illya Marchenko; * 8. September 1987 in Dniprodserschynsk, Ukrainische SSR, Sowjetunion) ist ein ukrainischer Tennisspieler.
Ilja Martschenko begann im Alter von sieben Jahren Tennis zu spielen. Sein älterer Bruder Ihor Martschenko ist ein ehemaliger Eiskunstläufer, der 1998 bei den Olympischen Winterspielen in Nagano mit seiner Partnerin Evgenia Filonenko den 11. Platz belegte.
Martschenko spielte ab 2005 Future-Turniere, 2006 gewann er seinen ersten Titel bei einem solchen Turnier. Es folgten erste Siegen bei Challenger-Turnieren. Das Jahr 2007 verlief ohne große Höhepunkte, 2008 erreichte Martschenko in Buxoro erstmals das Finale eines Challenger-Turniers, in dem er dem Lokalmatador Denis Istomin in drei Sätzen unterlag. Im September 2008 spielte er erstmals für die ukrainische Davis-Cup-Mannschaft und steuerte zum 5:0-Endstand einen Sieg über João Sousa bei.