Капиталина Ивановна Ильенко, в девичестве Лебедева, родилась 2 ноября 1904 в Ярославле в дворянской семье, отец был военным врачом.
Вскоре семья переехала под Кострому (сёла Ивановское, затем Петрилово), где отец служил земским врачом. Училась в дворянском пансионе в Костроме. После 1917 года семья переехала под Муром в разъезд Навашино, отец устроился в больнице на судостроительной верфи, Капитолина там же работала санитаркой.
Занималась в частной театральной студии Е. И. Кировой. Играла в Ярославском театре имени Волкова. Окончила Московский государственный театральный техникум им. А. Луначарского (1927), поступив сразу на второй курс. Во время учёбы подрабатывала уборщицей, а затем стенографисткой.
После окончания устроилась в театр при Управлении зрелищными московскими предприятиями (УМЗП) (1927—1929), затем в IV студию МХАТ, которую вскоре преобразовали в Реалистический театр (1929—1937). Затем были Театр Транспорта и Театр Революции (1937—1939), театры Читы, Алдана, Якутска, Инты, Рыбинска и, наконец, "Современник" (1961—1977, 1990—1992).
В пожилом возрасте снималась в фильмах в ролях старушек.
Вышла замуж в конце 1920-х за актёра Петра Петровича Мартынова-Ильенко, он был старше её на 24 года. Родился сын Борис — будущий актёр. В 1941 году родилась дочь Любовь от пропавшего безвести на фронте актёра Георгия Барышникова — также будущая актриса.
Умерла 21 ноября 1992 в Москве.
Фильмография:
1955 — Княжна Мери — дама
1970 — Дядя Ваня
1975 — Афоня — участница собрания в ЖЭКе
1976 — Несовершеннолетние
1976 — 12 стульев — соседка Изнуренкова
1978 — Баламут — баба Настя
1980 — У матросов нет вопросов
1982 — Колыбельная для брата — Зоя Алексеевна
1983 — Гонки по вертикали — Елизавета фон Дитц
1984 — И жизнь, и слёзы, и любовь… — Птицина
1984 — Неизвестный солдат — Софья Павловна Смирнова
1985 — Внимание! Всем постам… — нарушительница правил перехода
1986 — Русь изначальная — Арсинья
1986 — На златом крыльце сидели…
1986 — Дядя Ваня. Сцены из деревенской жизни (телеспектакль)
1986 — Где ваш сын?
1986 — Повод — свидетельница на суде
1987 — Раз на раз не приходится — старушка на кладбище
1987 — Забытая мелодия для флейты — соседка Капитолина Ивановна
1987 — Апелляция
1988 — Приморский бульвар — швея
1988 — Вам что, наша власть не нравится?! — Урожайкина
1989 — Лестница
1989 — Вход в лабиринт — соседка Лыжина
1990 — Последняя осень
1990 — Чёрная магия, или Свидание с дьяволом — Кассандра
1991 — Люми — Эстер
1991 — Плащаница Александра Невского
1991 — Знаменитости на Тюдор-стрит (короткометражный) — Патриция Бодлей
