Illmensee liegt im Landkreis Sigmaringen in Baden-Württemberg, etwa siebzehn Kilometer nördlich des Bodensees. Die Gemeinde besteht aus drei Seen – Illmensee, Ruschweiler See und Volzer See –, die während der Würmeiszeit entstanden. Mit dem Höchsten, der höchsten Erhebung im Landkreis, und dem Sturmberg prägt eine hügelige Landschaft das Gebiet. Die Nachbargemeinden sind Ostrach, Wilhelmsdorf, Deggenhausertal, Heiligenberg und Pfullendorf.
Die ersten Spuren menschlicher Besiedlung finden sich an den Seen aus der Jungsteinzeit, etwa durch Funde der Pfyn-Altheimer Gruppe oder der Horgener Kultur. Im Mittelalter spielte die Fischzucht an Andelsbach und Krumbach eine wichtige Rolle, was sich in Orts- und Hofnamen wie Weiher oder Krumbach widerspiegelt. Die Orte gehörten zur Grafschaft Heiligenberg und kamen später zum Großherzogtum Baden. Durch die Gebietsreform wurden die Gemeinden Illwangen und Ruschweiler nach Illmensee eingemeindet.
Illmensee ist geprägt von seinen historischen Bauwerken, darunter die spätgotische Pfarrkirche Mariä Himmelfahrt und mehrere Kapellen in den Ortsteilen. Die Lorettokapelle in Illwangen geht auf eine Stiftung aus dem 17. Jahrhundert zurück und ist ein Zeugnis des Lorettokults nach dem Dreißigjährigen Krieg. Die Burgstellen Alt-Lichtenegg und Neu-Lichtenegg erinnern an mittelalterliche Wehranlagen. Die Gemeinde ist Teil der Ferienregion „Nördlicher Bodensee“ und bietet mit dem Hydranten-Wanderweg ein besonderes Wanderziel.