24 июня 1944 года в составе миномётного взвода 801-го стрелкового полка 235-й Витебской стрелковой дивизии 92-го стрелкового корпуса 43-й армии 1-го Прибалтийского фронта, одним из первых вышел к реке Западная Двина в районе деревни Гринёво Шумилинского района Витебской области Белорусской ССР. Не дожидаясь приказа, он с двумя товарищами под огнём противника, на плоту преодолел реку и устремился на врага. Внес замешательство в ряды противника, чем способствовал закреплению на захваченном пятачке. В течение суток бойцы взвода отразили несколько контратак противника, уничтожили около 150 гитлеровских солдат и офицеров. Удержав позицию, они обеспечили переправу через реку других подразделений.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 22 июля 1944 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство рядовому Килюшик Ивану Сергеевичу было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда".