Родился в селе Воробьевка Новгород-Северского уезда Черниговской губернии (ныне Новгород-Северский район Черниговская область). Происходил из запорожских казаков. Отец его имел дворянское достоинство, владел населённым имением и служил священником в селе Воробьёвке. Начальное образование Буяльский получил в новгород-северском уездном училище.Начал свою педагогическую и научную деятельность студентом Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии и ко времени перехода на третий курс был помощником проректора по анатомии П. А. Загорского.По окончании академии в 1814 г. — прозектор, в 1821 г. — адъюнкт-профессор кафедры анатомии.Одновременно работал по хирургии, с 1815 г. состоял ординатором хирургической клиники И. Ф. Буша.
В 1816 году получил звание медика-хирурга.
В 1823 г. защитил диссертацию на тему об аневризмах и получил степень доктора медицины и хирургии.
В 1830 г. был назначен консультантом военно-учебных заведений.
С 1831 года был оператором Царскосельского лицея и ординарным профессором Медико-хирургической академии, где с 1833 по 1844 г. заведовал кафедрой анатомии.
В течение 33 лет (с 1831 по 1864) вёл большую хирургическую работу в Мариинской больнице (с 1847 года — консультант). Был одним из первых русских хирургов, вводивших общее обезболивание (эфир, хлороформ).Параллельно с 1831 до смерти в 1866 году работал в Академии художеств.
В 1842 году получил звание академика ИАХ.Одним из тех немногих случаев, когда умение и опыт врача И. В. Буяльского оказались беспомощными, стал, по точно не установленным сведениям, его прощальный визит к умирающему после дуэли поэту А. С. Пушкину. Давний друг Ильи Васильевича В. И. Даль, посоветовавшись с Н. Ф. Арендтом, находившимся вместе с ним около агонизирующего Александра Сергеевича, вызвал в качестве непререкаемого авторитета Илью Васильевича. По некоторым сведениям, Буяльский прибыл к поэту.
Но было уже слишком поздно… Ничто не помогло, и А. С. Пушкин скончался 29 января (10 февраля) 1837 года.Период, на который пришлись годы жизни И. В. Буяльского, описывают как «кадровое засилье немцев в российской медицине» ; это наложило сильный след на всю его деятельность.