Окончил Академическое музыкальное училище при Московской консерватории (класс Ната-льи Дмитриевой), Российскую академию музыки имени Гнесиных (класс профессора Александра Фраучи), аспирантуру Высшей школы музыки в Карлсруэ. В настоящее время – доцент РАМ имени Гнесиных.
Дмитрий – один из самых титулованных классических гитаристов России, удостоенный в общей сложности более двадцати наград. Среди них – первое место на конкурсе Гитарной ассоци-ации Америки в США (2002); Гран-при конкурса имени Франсиско Тарреги в Испании (2008), где впервые за 42 года существования конкурса победителем стал гитарист из России; победа на Меж-дународном конкурсе имени Андреса Сеговии в Испании (2009). Илларионов также является лау-реатом конкурса дирижёров и конкурса композиторов.
Выступления гитариста проходят в России, Европе, Азии и Америке на сценах таких пре-стижных залов, как Тонхалле в Цюрихе, Большой зал Московской консерватории, Дворец изящных искусств BOZAR в Брюсселе, центр искусств Сеула и других. Концерт Дмитрия в Антверпене был от-мечен «Золотым знаком» от Klassiek Centraal (Бельгия).
Музыкант играл в сопровождении Госоркестра России им. Е. Ф. Светланова, Большого сим-фонического оркестра имени П. И. Чайковского, камерных коллективов «Виртуозы Москвы», «Со-листы Венеции» (Италия). Сотрудничает с такими известными дирижёрами, как Владимир Федосе-ев, Лео Брауэр (Куба), Александр Сладковский, Фабио Мастранджело. В ансамблевых выступлени-ях его партнерами стали виолончелист Борис Андрианов, скрипачи Андрей Баранов, Леонард Шрайбер, Сергей Догадин, флейтист Патрик Галуа, квартет Artis, контрабасист Андрей Иванов.
Дмитрий был участником фестивалей «Декабрьские вечера Святослава Рихтера» в Москве, имени Пабло Казальса и «Анси классик» во Франции, Гитарной ассоциации Америки в США, Сим-позиума гитары в Изерлоне (Германия) и многих других. Участник ведущих российских форумов: «Vivarte», «Музыкальная экспедиция», «Vivacello», «Крещендо».
Илларионов много сделал для развития и популяризации классической гитары, выступив в качестве организатора нескольких крупных фестивалей в России. C 2006 по 2009 год Дмитрий сов-местно с Московской филармонией являлся организатором и одним из основателей фестиваля «Виртуозы гитары». Один из организаторов Международного конкурса и фестиваля гитаристов имени Александра Фраучи в Москве, руководитель «классического» дня знаменитого фестиваля «Мир гитары» в Калуге. Соорганизатор фестиваля гитарных искусств «GUITARMAGFEST», который пройдёт в зале Зарядье в мае 2021 года. Автор абонемента «Современная гитара. Remix» в Фи-лармонии-2 в Москве. Художественный руководитель фестиваля «Большие и малые звезды».
Дмитрию Илларионову посвящены произведения композиторов Алексея Рыбникова, Ники-ты Кошкина, Андрея Зеленского, Ефрема Подгайца, Атанаса Уркузунова, Сергея Руднева.
Диск Дмитрия Илларионова с Борисом Андриановым (фирма Delos), вошел в лонг-лист но-минантов на премию Grammy-2004.
Илларионов принимал участие в записи саундтрека фильма «Пассажирка» Станислава Гово-рухина и в съёмках документального фильма «Битва за гитару» (канал «Культура»), а также снялся в художественном музыкальном фильме «Дух Соноры» по мотивам рок-оперы Алексея Рыбникова «Звезда и смерть Хоакина Мурьеты» (режиссёр – А. Рыбников).
Дмитрий находится в постоянном поиске новых форматов академических концертов. Среди его последних проектов в таком ключе – программа «Сны в зеркале: Satie-видения» с участием ве-дущих российских солистов, где видео-проекция в режиме реального времени становится полно-правным участником концерта; и спектакль «Всё сложно. Музыка и разговоры» (режиссёр Нина Григорьева), где академический концерт и драматическое действие вплетены в увлекательный сю-жет.