Cornelia von Ilsemann war von 2003–2013 Leiterin der Bildungsabteilung bei der Senatorin für Bildung und Wissenschaft in Bremen, davor Abteilungsleiterin in der Behörde für Schule, Jugend und Berufsbildung in Hamburg. Als ehemalige Vorsitzende des Schulausschusses der Kultusministerkonferenz war sie beteiligt an der Entwicklung der Bildungsstandards für das Abitur.

Zuvor leitete sie die gymnasiale Oberstufe der Max-Brauer-Schule in Hamburg, die das Konzept der Profiloberstufe entwickelte. Cornelia von Ilsemann war Mitglied des Programmteams der Deutschen Schulakademie und ist Mitglied der Vorjury des Deutschen Schulpreises.