בפברואר 1996 מונה אילון לראש השב"כ, לאחר שמפקד הארגון הקודם כרמי גילון התפטר בעקבות רצח יצחק רבין.
אילון נחשב כמי ששיקם וקידם את הארגון שהיה במשבר עמוק לאחר הרצח. בין הצלחותיו היו טיהור הארגון מתופעות של ניצול שררה וסמכות והנהגת קוד אתי, ושורה של הצלחות במלחמה בטרור. כמו כן התמודד עם פיגועים רבים, ביניהם הפיגוע בדיזינגוף סנטר ובשוק מחנה יהודה בירושלים.
עם זאת נשמעה ביקורת על כך שאילון החיל בשב"כ שיטות ניהול צבאיות שאינן מתאימות לו וקידם מקורבים לתפקידים בכירים בארגון.
אילון פרש מתפקידו במאי 2000.