Kể từ tháng 11 năm 1995, Ilyumzhinov là Chủ tịch Liên đoàn Cờ vua Thế giới, đầu tư một lượng lớn tài sản riêng của mình vào bộ môn này. Ông rất nhiệt tình với việc thu hút các giải đấu quốc tế đến với Kalmykia, và nhiều Đại kiện tướng đã làm như vậy. Kế hoạch rực rỡ của ông nhằm xây dựng một thành phố cờ vua lộng lẫy tại nước cộng hòa đã dẫn đến cuộc biểu tình của một số người, nhưng lại được những người khác ca ngợi gây nên ấn tượng tốt đẹp trong lòng dư luận. Trận đấu năm 1996 giữa Gata Kamsky và Anatoly Karpov ban đầu được lên lịch biểu diễn ở Baghdad. Tuy nhiên, phản ứng quốc tế quá khắc nghiệt đến nỗi FIDE đã di dời trận đấu sang Elista, nơi nó nhận được nhiều sự quan tâm quốc tế tích cực hơn.

Đứng trước sự tiến triển khác vào thời đó, Kirsan Ilyumzhinov đã vấp phải sự phản đối từ các đối thủ trong liên đoàn cờ vua châu Âu, Mỹ và Canada. Một vài người trong số này đã mở một cuộc họp đặc biệt ở Utrecht, Hà Lan, ngày 27–28 tháng 4. Cuộc họp kêu gọi đối xử bình đẳng dành cho Kamsky và Karpov, phục hồi chu trình các cuộc thi đấu vòng loại truyền thống của FIDE dẫn đến trận đấu tranh chức danh hiệu thế giới, và là sự cải tổ toàn diện bên trong FIDE. Để củng cố sự cải cách này, các đối tác của Utrecht đã hỗ trợ một ứng cử viên thách thức Ilyumzhinov tại Đại hội FIDE diễn ra cùng với Olympiad Cờ vua. Ứng cử viên này là Jaime Sunye Neto, đại kiện tướng đến từ Brasil. Ilyumzhinov đã thành công trong sự hỗ trợ tập thể từ Thế giới thứ ba và từ Nga, và ông đã thắng cuộc bầu cử 87–46. Không có sự phục hồi trận đấu vòng loại truyền thống, và ưu tiên riêng của Ilyumzhinov dành cho một cuộc thi vòng loại trực tiếp trị giá 5 triệu USD với 100 kỳ thủ hàng đầu thế giới đã bị hoãn lại từ tháng 12 năm 1996 đến tháng 12 năm 1997, và không có nhà tài trợ nào được công bố.

Mùa hè năm 1998, Kirsan Ilyumzhinov tuyên bố khả năng tranh cử Tổng thống Nga. Điều này trùng hợp với Anatoly Karpov bị chỉ trích vì hệ thống danh hiệu vòng loại trực tiếp hàng năm của FIDE. Karpov lập luận rằng hợp đồng của mình với FIDE quy định rằng người chiến thắng trong trận đấu Karpov–Anand năm 1998 sẽ giữ danh hiệu trong hai năm. Sự tuyên truyền thành công của Karpov về quyền lợi của ông đã dẫn đến việc hủy bỏ một loạt danh hiệu vô địch thế giới theo kế hoạch tại Las Vegas, Nevada, vào cuối năm đó. Kể từ khi Karpov có một năm không thành công, ngoài trận đấu với Anand, và ông không thể chống đối kế hoạch ông sẽ phải bước vào vòng loại trực tiếp này, bất cứ khi nào nó được tổ chức, ở giai đoạn sớm hơn rất nhiều.

Ilyumzhinov đã cố gắng thuyết phục 140 quốc gia thành viên của FIDE tham gia vào sự kiện chính của năm, Olympiad Cờ vua, dự kiến ​​bắt đầu vào cuối tháng 9 năm 1998, tại Elista. Tuy nhiên sự kiện này bắt đầu muộn do không thể hoàn thành địa điểm mới đúng lúc. Cuối cùng, nó thu hút 110 đội đến sự kiện chính, một cuộc thi đấu của đội Thụy Sĩ rút ngắn 13 vòng để cho phép sự chậm trễ.

Ngày 2 tháng 6 năm 2006, Ilyumzhinov được bầu lại làm Chủ tịch FIDE President với tỷ lệ 96–54 so với đối thủ Bessel Kok.[22][23] Trong một bài báo số ra tháng 10 năm 2006 của tờ Wall Street Journal viết về Garry Kasparov, người ủng hộ đối thủ của Ilyumzhinov, đã chỉ trích quyền lãnh đạo FIDE của Ilyumzhinov rằng: "(Ilyumzhinov) đã tạo ra một trụ cột quyền lực thẳng đứng quen thuộc với bất kỳ nhà quan sát Nga nào hiện nay."[24] Nigel Short, đại kiện tướng người Anh, cũng ủng hộ đối thủ của Kirsan về sự lãnh đạo của FIDE, đã tham gia vào những nghi ngại của Kasparov về chiến thắng của Ilyumzhinov.[25]

Ngày 29 tháng 9 năm 2010, Kirsan Ilyumzhinov được tái đắc cử làm Chủ tịch FIDE đánh bại đối thủ của mình là Anatoly Karpov một cách dứt điểm – thắng cuộc bầu cử này với 95 phiếu bầu so với 55 phiếu của đối thủ.[26][27] Tuy vậy, có những lời tố cáo gay gắt về sự gian lận và tham nhũng trong hệ thống bầu cử với CJ de Mooi, chủ tịch Liên đoàn Cờ vua Anh, nói rằng: "Đây là một trò hề bỏ phiếu...Thậm chí chẳng có một cái cớ công bằng và tự do ngôn luận."[28]

Năm 2014, Kirsan Ilyumzhinov được tái đắc cử làm Chủ tịch FIDE sau khi đánh bại Garry Kasparov với chiến thắng 110–61.[29][30]

Trong lễ kỷ niệm 20 năm của mình với tư cách là chủ tịch FIDE vào tháng 11 năm 2015, Ilyumzhinov đã liệt kê những thành tựu chính của mình như: công nhận cờ vua như một môn thể thao, thống nhất chức vô địch cờ vua thế giới, tình hình tài chính ổn định của FIDE, hoàn chỉnh lịch thi đấu của FIDE, số người chơi cờ vua tăng thêm hơn mười lần, gia đình FIDE đã tăng lên đáng kể và sự phát triển cờ vua của phụ nữ.[31] Trong một cuộc phỏng vấn nhân dịp này, ông đã đề cập rằng trong lúc ông không muốn lên làm chủ tịch FIFA, ông có thể trở thành một ứng cử viên trong tương lai, nói rằng "Tôi có tầm nhìn về cách làm cho bóng đá vẫn phổ biến hơn và làm trong sạch tổ chức tham nhũng, như chúng tôi đã làm với FIDE."[32]

Do lệnh cấm vận OFAC, vào ngày 6 tháng 12 năm 2015, Ilyumzhinov đã rút khỏi bất kỳ hoạt động pháp lý, tài chính và kinh doanh nào của FIDE cho đến khi tên ông bị loại khỏi danh sách OFAC nhưng ông vẫn nắm quyền kiểm soát FIDE.[5] Trong một cuộc phỏng vấn tiếp theo, ông nói rằng các biện pháp trừng phạt của Hoa Kỳ là một sai lầm hoặc một sự khiêu khích, với các luật sư của ông có kế hoạch đâm đơn kiện 50 tỷ USD, dựa trên thiệt hại ước tính của họ.[33][34] Trước đó vào tháng 6 năm 2014, Ilyuzmhinov đã lưu ý rằng tên của ông đã nổi lên xung quanh các lệnh trừng phạt liên quan đến Ukraina.[35]

Ngày 27 tháng 3 năm 2017, FIDE đã đăng tin trên trang web của mình rằng Ilyumzhinov tuyên bố từ chức,[7] và cuộc họp bất thường sẽ được tổ chức vào tháng tới để xem xét và chấp nhận việc từ chức. Ilyumzhinov sau đó từ chối việc từ chức[36] trên phương tiện truyền thông Nga, cũng như trợ lý của ông khi được Chess.com liên lạc;[37] Giám đốc điều hành FIDE Nigel Freeman trả lời rằng Ilyumzhinov đã từ chức bằng miệng trong cuộc họp Ban Chủ tịch ở Athena, và kêu gọi mở cuộc họp bất thường Ban Chủ tịch để bàn về vấn đề này.[38] Tại cuộc họp, Ban Chủ tịch xác nhận rằng Ilyumzhinov đã không chính thức từ chức, thế nhưng ông vẫn bị chỉ trích vì đưa ra những tuyên bố gây hiểu lầm cho giới truyền thông.[39]

Vào tháng 5 năm 2018, Chessdom.com đưa tin Ilyumzhinov đã nộp đơn cuộc bầu cử FIDE mới với một ứng cử viên ảo trên tấm vé của ông có tên là "Glen Stark"[40].