Ο Ηλίας Βενέζης γεννήθηκε στις Κυδωνίες (Αϊβαλί) της Μικράς Ασίας στις 4 Μαρτίου 1904 σύμφωνα με αυτοβιογραφικό του σημείωμα. Ο πατέρας του, Μιχαήλ Μέλλος, καταγόταν από την Κεφαλλονιά και η μητέρα του από τη Λέσβο. Βενέζης λεγόταν ο παππούς του Δημήτριος από την πλευρά της μητέρας του.
Με το ξέσπασμα του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου ο πατέρας του και μία αδελφή του αποκλείστηκαν στη Μικρά Ασία, ενώ η υπόλοιπη οικογένεια κατέφυγε στη Μυτιλήνη, όπου ο συγγραφέας ενεγράφη στο γυμνάσιο.
Το 1919, μετά την αποβίβαση των ελληνικών στρατευμάτων στη Μικρά Ασία, επέστρεψαν όλα τα μέλη της οικογένειάς του στο Αϊβαλί, εκτός από την αδελφή του Άρτεμη, που είχε πεθάνει από επιδημία ισπανικής γρίπης στη Μυτιλήνη.
Το 1922 ο Βενέζης, που μόλις είχε τελειώσει το γυμνάσιο στη γενέτειρά του, αιχμαλωτίστηκε από τους Τούρκους και υπηρέτησε σε τάγματα εργασίας, στην ενδοχώρα της Μικράς Ασίας, επί δεκατέσσερις μήνες.
Αφέθηκε ελεύθερος το 1923 και επέστρεψε στη Λέσβο, για να βρει την οικογένειά του. Εκεί εργάστηκε αρχικά στο Πλωμάρι ως υπάλληλος της Διευθύνσεως Κτημάτων εξ Ανταλλαγής του υπουργείου Γεωργίας και ακολούθως ως υπάλληλος στην Εθνική Τράπεζα και στην Τράπεζα Ελλάδος.
Κατόπιν μεταθέσεώς του στο υποκατάστημα της Τράπεζας Ελλάδος στην Αθήνα, ο Βενέζης εγκαταστάθηκε στην πρωτεύουσα, όπου έμελλε να εργαστεί έως το 1957.
Το 1938 νυμφεύτηκε τη Σταυρίτσα Μολυβιάτη (με καταγωγή από το Αϊβαλί), με την οποία απέκτησε μία κόρη, την Άννα.
Κατά τη διάρκεια της Κατοχής ο Βενέζης συνελήφθη από τους Γερμανούς και κλείστηκε στις φυλακές Αβέρωφ. Απελευθερώθηκε είκοσι τρεις μέρες αργότερα, ύστερα από εκκλήσεις του Αρχιεπισκόπου Δαμασκηνού και άλλων προσωπικοτήτων της εποχής.
Ο Ηλίας Βενέζης διετέλεσε γραμματέας και διευθύνων σύμβουλος του Δ.Σ. του Εθνικού Θεάτρου (1950-1952), διοικητικός διευθυντής και πρόεδρος της καλλιτεχνικής επιτροπής του (1964-1967), ιδρυτικό μέλος της Ομάδας των Δώδεκα (1950), συνεργάτης του Εθνικού Ιδρύματος Ραδιοφωνίας (1954-1966), πρόεδρος του κινηματογραφικού φεστιβάλ Θεσσαλονίκης (1963-1966) και αντιπρόεδρος του διοικητικού συμβουλίου της Ελληνοαμερικανικής Ένωσης (1966-1970).
Επίσης, εξελέγη μέλος της Ακαδημίας Αθηνών (1957), θέση από την οποία ανέπτυξε έντονη πολιτιστική δραστηριότητα.
Στη λογοτεχνία ο Βενέζης πρωτοεμφανίστηκε το 1921 με δημοσιεύσεις διηγημάτων στο περιοδικό της Κωνσταντινούπολης «Ο Λόγος».
Το 1927 βραβεύτηκε από το περιοδικό «Νέα Εστία» για το διήγημά του «Ο θάνατος», ενώ αργότερα δημοσίευσε σε συνέχειες την πρώτη μορφή του εμπνευσμένου από την εμπειρία του στα τάγματα εργασίας της Ανατολής έργου του «Το νούμερο 31328», που εκδόθηκε το 1931.
Ακολούθησαν τα μυθιστορήματα «Γαλήνη», «Αιολική γη», «Έξοδος» και «Ωκεανός», που κινούνται όλα στο πλαίσιο του ντοκουμέντου, με σαφείς επιδράσεις από την ανθρωπιστική ιδεολογία του συγγραφέα.
Ολοκλήρωσε επίσης διηγήματα, ιστορικές μελέτες, οδοιπορικά και το θεατρικό έργο «Μπλοκ C», που ανέβηκε πρώτη φορά το 1945 από το θίασο του Πέλου Κατσέλη.
Έργα του μεταφράστηκαν σε πολλές ξένες γλώσσες. Το 1949, κατόπιν προσκλήσεως του Στέιτ Ντιπάρτμεντ, περιόδευσε στις ΗΠΑ, όπου πραγματοποίησε διαλέξεις και συνεντεύξεις.
Ο Ηλίας Βενέζης τιμήθηκε με το Α’ Κρατικό Βραβείο Λογοτεχνίας και τον Έπαινο της Ακαδημίας Αθηνών.
Απεβίωσε το 1973 στην Αθήνα ύστερα από πολύχρονη και επώδυνη ασθένεια.