Родился 16 сентября 1961 года в Ленинграде.
В 1983 году окончил экономический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ) по специальности "экономист, преподаватель политэкономии". В 1987 окончил аспирантуру ЛГУ на кафедре экономики современного капитализма. Кандидат экономических наук.
В 1978 году работал почтальоном, в 1978-1979 гг. - методистом в Ленинградском парке культуры и отдыха. В 1983-1984 гг. и 1987-1990 гг. - ассистент кафедры международных экономических отношений ЛГУ. В 1990-1992гг. - старший научный сотрудник и заведующий сектором лаборатории региональных экономических проблем Санкт-Петербургского финансово-экономического института (руководителем лаборатории был Сергей Васильев). С началом "реформ Гайдара" В апреле 1992, Сергей Васильев, ставший директором Рабочего центра экономических реформ при Правительстве РФ (РЦЭР), сделал Илларионова года своим 1-м заместителем (Иларрионов оставался им до апреля 1993 года).
Стажировался в Бирмингеме (Великобритания). Вместе с Сергеем Васильевым участвовал в разработке программы правительства, утвержденной летом 1993 года. Виктор Черномырдин, став в декабре 1992 г. главой правительства, несколько раз встречался с Илларионовым, но затем до апрельского референдума 1993 г. контакты прекратились.
Сразу после референдума о доверии президенту РФ, 26 апреля 1993 г. Илларионов был назначен руководителем группы анализа и планирования председателя правительства РФ в ранге советника премьера Черномырдина. Вместе с министром финансов Борисом Федоровым Илларионов резко осудил операцию с обменом купюр 26 июля 1993 г. После тяжелого разговора с премьером (по словам самого Илларионова, - "в результате этого разговора") попал более чем на месяц в больницу, а потом "долечивался в санатории, хотя и не очень успешно". После этого Черномырдин никаких заданий руководителю своей группы планирования не давал. За последующие полгода Илларионов встречался с Черномырдиным только "в экстремальное время: в ночь с 21 на 22 сентября, в ночь с 3 на 4 октября и утром 13 декабря". Все три раза встреча происходила по инициативе Илларионова, который во всех трех случаях советовал отправить в отставку председателя Центробанка Виктора Геращенко. По мнению Илларионова, одна из главных причин поражения демократов на выборах 12 декабря 1993 года - инфляция, в которой Илларионов винит Геращенко и Черномырдина. 7 февраля 1994 года Илларионов подал в отставку, обвинив премьер-министра в "экономическом перевороте". В ответ на это был 9 февраля 1994 года "уволен за нарушение трудовой дисциплины", выразившееся в том, что Илларионов прогулял три дня - без ведома Черномырдина - читал 17-20 января 1994 лекции в Великобритании.
С 1994 года - директор Института экономического анализа. В июне 1998 года стал одним из учредителей ультралиберального общественно -политического объединения "Северная столица". 10 июля 1998 года включен в состав Комиссии правительства РФ по экономическойреформе.