Воробьёв закончил карьеру игрока в 2010 году, когда ему было 35 лет, и сразу перешёл на тренерскую работу. В магнитогорский «Металлург» Илью Воробьёва пригласили в 2012 году, на должность старшего тренера.
Через день после поражения от «Лады» Илья Воробьёв был отправлен в отставку, исполняющим обязанности главного тренера «Металлурга» назначен Виктор Козлов. Команда находится на седьмом месте Востока с 42 очками в 28 матчах.
В 2014 году «Магнитка» под руководством канадца Майка Кинэна выиграла свой первый Кубок Гагарина, а по ходу сезона 2015/2016 Кинэна на посту главного тренера уральцев сменил Воробьёв.
По итогам первой «регулярки» с Воробьёвым «Металлург» стал вторым на Востоке и восьмым в сводной таблице. В плей-офф по пути к финалу уральцы разобрались с «Автомобилистом», «Сибирью» и «Салаватом Юлаевым».
В решающем раунде «Магнитка» со счётом 4-3 в серии обыграла московских «армейцев» и второй раз за три года взяла главный трофей КХЛ. Илья Воробьёв стал самым молодым главным тренером, выигрывавшим Кубок Гагарина.
Под руководством Воробьёва блистало звено Сергея Мозякин – Ян Коварж – Данис Зарипов. В чемпионском сезоне 2015/2016 Мозякин был лучшим снайпером и бомбардиром как регулярного чемпионата, так и плей-офф.
В следующем сезоне «Металлург» с большим отрывом стал лучшим на Востоке. В статистических топах вновь доминировал Сергей Мозякин, помогали которому те же Зарипов, Коварж и Крис Ли. В плей-офф «Магнитка» дошла до финала.
Летом в «Металлурге» произошли перемены. Команду покинули несколько ключевых защитников, а также Данис Зарипов. Полноценной замены ушедшим найти не удалось, уральцы начали чемпионат с трёх поражений в пяти матчах.
Илья Петрович Воробьёв – двукратный обладатель Кубка Гагарина: как помощник тренера и как главный тренер. 2 ноября 2017 года, неожиданно для многих, Воробьёв был отправлен в отставку с поста рулевого магнитогорского «Металлурга».
С 18 октября по 2 ноября «Магнитка» провела шесть встреч и пять из них проиграла в основное время – ЦСКА, «Ак Барсу», «Нефтехимику», ХК «Сочи» и «Ладе». Тольяттинцам уральцы забили только один гол.