1990 Gelsenkirchen doğumludur. Ailesi aslen Balıkesirlidir. Millî voleybolcu Naz Aydemir ile kuzendir. Futbola SV Gelsenkirchen-Hessler 06’in altyapısında başladı. 1998’de Schalke 04’ün altyapısına geçti, bir sezon orada geçirdikten sonra eski takımına geri döndü. 2004-05 arasında SSV Buer takımının altyapısında oynayan Gündoğan, 2005’te uzun süre formasını giyeceği VfL Bochum takımına geçti.

Gündoğan, 2007-08 sezonunda Bochum’un U-19 takımında oynadı. Takım, U-19 batı ligini beşinci sırada tamamladı. 2008-09 sezonun ikinci yarısında 2. Bundesliga takımı 1. FC Nürnberg takımına transfer oldu. 2011-12 sezonunda Borussia Dortmund forması giymeye başladı.

2016-17 sezonu başında 25 milyon euro karşılığında Borussia Dortmund’tan Manchester City’ye transfer oldu.

İlkay Gündoğan, Danimarka’nın başkenti Kopenhag’ta Sara Arfaoui ile evlendi.