Kakek Ilhan, Abukar, adalah direktur Transportasi Laut Nasional Somalia, dengan paman dan bibinya juga bekerja sebagai pegawai negeri dan pendidik. Setelah dimulainya perang sipil pada 1991, dia dan keluarganya melarikan diri dari negara dan menghabiskan empat tahun di sebuah kamp pengungsi di Kenya.
Pada 1995, Omar dan keluarganya beremigrasi ke AS, awalnya menetap di Arlington, Virginia. Pada 1995, mereka pindah ke Minneapolis, di mana Ilhan belajar bahasa Inggris hanya dalam tiga bulan. Selama mendidik Ilhan, ayah dan kakeknya menekankan pentingnya demokrasi.
Ilhan muda pernah menemani kakeknya ke pertemuan kaukus pada usia 14 tahun dan membantu sebagai penerjemahnya.
Omar bersekolah di SMA Edison dan menjadi sukarelawan di sana sebagai ketua organisasi siswa. Dia lulus dari North Dakota State University dengan gelar sarjana dalam ilmu politik dan studi internasional pada 2011.
Dia kemudian menjadi mahasiswa di Humphrey School of Public Affairs.
Ilhan memulai karier profesionalnya sebagai pengajar gizi masyarakat di Universitas Minnesota selama 2006 hingga 2009 di area Minneapolis-Saint Paul. Pada 2012, dia menjabat sebagai manajer kampanye untuk kampanye pemilu Kari Dziedzic untuk Senat Negara Bagian Minnesota.