Goizean gainditu du osasun aterketa, eta sei urterako kontratua sinatu du ondoren.
Hiru sasoi egin zituen lehen taldean, eta 56 partida jokatu Espainiako liga eta kopa artean. Ez zuen golik egin. 2010ean egin zuen debuta Elxen aurka, Martin Lasarte Realeko entrenatzaile zela, baina Philippe Montanier prestatzaile frantziarraren eskutik hasi zen astero hasierako hamaikakoan sartzen.
2012-13an ezinbesteko jokalaria izan zen txuri-urdinentzat, 32 partida jokatu baitzituen ligan. Reala Txapeldunen Ligarako sailkatu zen urte hartan, baina ez zen txapelketa hori Realarekin jokatzera iritsi, Real Madrilek fitxatu baitzuen uda horretan.
Bi urte egin ditu Real Madrilen, eta Xabi Alonso tolosarraren oinordekotzat jo zuten hainbatek. Han, izan ditu minutuak, baina ez du izan espero zen protagonismoa. Lehen urtean, Carlo Ancellotiren agindupean, 29 partida jokatu zituen Espainiako Ligan, eta 11 Txapeldunen Ligan. Bigarrenean, 30 partidatan hartu du parte Espainiako txapelketan, eta zazpitan Txapeldunen Ligan. Lau txapelketa irabazi ditu talde zuriarekin: Txapeldunen Liga, Kluben Arteko Munduko Kopa, Europako Superkopa eta Espainiako Superkopa.
Haren falta nabaritu du Realak bi urteotan. Illarramendik Real Madrilen lehen urtea zuela, apur bat behera egin zuen Realak aurreko sasoiarekin alderatuta, eta zazpigarren postuan amaitu zuen Espainiako Liga. 2014-15ean, berriz, 12. postuan amaitu dute sasoia txuri-urdinek, Europako postuetatik urrun, ziur aski Illarramendiren hutsuneaz gain Claudio Bravo atezainak eta Antoine Griezmann aurrelariak ere taldea uztearen ondorioz.
Funtsean, utzi zuen Realaren antzeko bizkarrezurra topatuko du Illarramendik, baina joandako jokalariak ordezkatzeko eginiko fitxaketek ez dute espero zen emaitza eman. Finnbogason aurrelaria urtebete baino ez da egon Donostian, eta Esteban Granerok zelai erdian eginiko lanak ere ez du zalegoa asebete. Illarramendiren itzulerarekin, harentzat talde bila egon liteke Reala.
