Montanari ingressou na Universidade Gregoriana de Roma para estudar teologia, em 1985, depois de ter passado pelo Seminário Maria Imaculada, em Ribeirão Preto. Em 1989, retornou à Arquidiocese de Ribeirão como sacerdote. A partir de 1990, foi professor de teologia em Ribeirão Preto e Uberaba (MG). Na cidade paulista, foi chanceler e coordenador da pastoral da arquidiocese, membro do Conselho Presbiteral e do Colégio de Consultores e Vigário Forâneo da Zona Oeste.
Em 2002, dom Ilson voltou a Roma para cursar teologia dogmática na Pontifícia Universidade Gregoriana. Em 2008, entrou para a Congregação dos Bispos como oficial e, em 2011, foi nomeado capelão de Sua Santidade (de 2002 a 2004).