Дмитрий Илларионов родился в 1979 году в Кишинёве. Окончил Академическое музыкальное училище при Московской консерватории (класс Натальи Дмитриевой), Российскую академию музыки имени Гнесиных и ассистентуру-стажировку РАМ (класс профессора Александра Фраучи), затем аспирантуру Высшей школы музыки в Карлсруэ (Германия). В настоящее время – доцент РАМ имени Гнесиных. Кроме классической гитары, играет также на семиструнной русской гитаре и вандерфогеле (немецкая лютня).

Победитель и лауреат 25 международных конкурсов в США, Испании, Польше, Италии, Израиле и других странах. Гастролировал в Европе, Азии, Америке, выступал в крупнейших залах мира и на самых престижных фестивалях. Первый гитарист-солист, выступивший на фестивале фонда «Орфеум» (Швейцария) и Фестивале камерной музыки в Утрехте.

Выступал со многими известными коллективами и дирижерами, в камерных ансамблях – с именитыми солистами. Первый исполнитель ряда сочинений современных авторов, в том числе посвященных ему опусов Никиты Кошкина, Анджело Джилардино, Алексея Рыбникова, Сергея Руднева, Андрея Зеленского, Атанаса Уркузунова, Ефрема Подгайца, Константина Васильева, Матиаса Дюплесси.

Художественный руководитель фестиваля «Большие и малые звезды», Международного конкурса и фестиваля гитаристов имени А. К. Фраучи. Куратор фестиваля GuitarMagFest, руководитель «классического» дня фестиваля «Мир гитары» в Калуге.

Курирует фонд «Новые имена», проводит мастер-классы в России и за рубежом. Член жюри ведущих конкурсов гитаристов. Записал сольные диски на фирмах Naxos, Doberman, Daminus. Участвовал в записи саундтрека фильма «Пассажирка» Станислава Говорухина; снимался в документальном фильме «Битва за гитару» (ТК «Культура», 2012) и художественном музыкальном фильме «Дух Соноры» Алексея Рыбникова (2016).