El 16 de marzo de 2011 fue convocado por primera vez por la selección de fútbol sub-21 de España para el partido internacional amistoso camiseta manchester united Francia – España. El equipo que más puntos sume al final del campeonato será proclamado campeón de Liga de Segunda División y obtendrá automáticamente el ascenso a Primera División para la próxima temporada, junto con el subcampeón. Al final de la temporada regular -30 jornadas-, se procede a jugar play-offs por el campeonato; las plazas europeas y el descenso. Su temporada fue más que positiva ya que logró siete goles en 44 encuentros, además de ser uno de los mejores centrocampistas del campeonato. Al final de la temporada fue galardonado como mejor jugador del equipo del año por los propios aficionados gracias a sus 35 partidos, 1 gol y 2 asistencias y a ser el motor del equipo en el centro del campo. El 18 de diciembre de 2013 marcaba su primer gol como profesional en el Santiago Bernabéu, frente al Olímpic de Xàtiva, en la vuelta de los dieciseisavos de final de la Copa del Rey.
En junio de 2013 fue de nuevo convocado por la sub-21 para el Europeo sub-21 que tendría lugar ese mismo mes en tierras israelitas y donde revalidaron el título de campeones de Europa sub-21. Debutó el 7 de junio de ese año en un partido amistoso contra Colombia celebrado en la Nueva Condomina. Fue el 23 de enero de 2011 en el partido que enfrentó a la Real Sociedad con el Villarreal CF (2-1) de la 20.ª jornada de Liga en El Madrigal. En enero de 2008 dio el salto a la Real Sociedad B, donde fue un fijo durante varias temporadas. En la siguiente temporada, a pesar de la ilusión que se despertó en la ciudad tras los grandes resultados de la anterior, la suerte no sonrió a un Zamora que descendió con varias jornadas de antelación en Las Gaunas, perdiendo por 4-1. Durante el transcurso de esta temporada, hubo un cambio en el banquillo, pasando del técnico vasco David Movilla al gallego Yago Iglesias, pero no sirvió para evitar el descenso.
El 26 de agosto de 2015, Illarra fue traspasado de vuelta a la Real Sociedad por una cantidad cercana a los 18 millones de euros, siendo el fichaje más caro del equipo vasco. El 5 de abril de 2014 inauguró el marcador en la victoria a domicilio por 0 a 4 ante la Real Sociedad. El 25 de octubre, marcó su primer gol como realista en la victoria por 0-4 ante el Levante U. D. tras una asistencia de Chory Castro. El 14 de septiembre de 2013 Illarra debutó oficialmente con el Real Madrid C. F. en la cuarta jornada de Liga como titular en el estadio de El Madrigal en el empate a dos goles ante el Villarreal Club de Fútbol. ↑ Pedraza, Jacobo (13 de julio de 2013). «Illarramendi: “Mi vida cambiará, yo no”». ↑ País, camisetas de fútbol baratas El (12 de julio de 2013). «Illarramendi: “Es una oportunidad única e irrechazable”».
↑ «Cerrado: el Real Madrid paga a la Real 32,1 millones por Illarramendi». El 19 de octubre de 2012, Asier renovó con la Real Sociedad hasta junio de 2018. En esa temporada Illarra recuperó la titularidad y el buen juego siendo indiscutible en las alineaciones para el técnico francés Philippe Montanier. En la temporada 2011-12, Asier se convirtió en jugador de la primera plantilla de la Real Sociedad a las órdenes de Philippe Montanier. Debido a los continuos percances físicos sufridos desde su primera lesión en Mestalla, apenas pudo jugar tanto en la temporada 2019-20 como en la temporada 2020-21. El 3 de abril de 2021, en el Estadio de la Cartuja, conquistó su primer título con la Real al vencer en la final de la Copa del Rey pendiente del año anterior debido a la pandemia de COVID-19, por 1-0 al eterno rival, el Athletic Club. Illarramendi fue parte del plantel que logró el subcampeonato en la Copa Mundial de Fútbol Sub-17 de 2007, con reconocimiento destacado sobre su labor como centrocampista tras caer en los lanzamientos de penaltis en la final contra Nigeria por 0-3, el primer lanzamiento lo erró Illarra.