33-latek niemal całą karierę spędził w klubie z Kraju Basków. Jedynie w latach 2013-2015 przebywał w Realu Madryt. Łącznie w barwach Realu Sociedad rozegrał do tej pory 251 spotkań, w których zdobył 11 goli. W bieżącym sezonie ma na koncie 29 meczów we wszystkich rozgrywkach.
W ostatnim czasie zmagał się jednak z licznymi kontuzjami, co sprawiło, że opuścił wiele spotkań.
Do jego największych sukcesów należy wygrana w Lidze Mistrzów z Realem Madryt w 2014 roku. Natomiast z Realem Sociedad awansował do LaLigi w 2010 roku, zdobył Puchar Króla za rok 2020, a w bieżącym sezonie jest o krok od zakwalifikowania się do Ligi Mistrzów.
W 2017 roku Illarramendi rozegrał trzy mecze dla reprezentacji Hiszpanii. Strzelił nawet bramkę przeciwko Izraelowi w ramach eliminacji do mundialu w Rosji.
Real Sociedad zajmuje aktualnie czwarte miejsce w LaLidze, z przewagą ośmiu punktów nad Villarrealem. Okazję do pożegnania Illarramendiego kibice będą mieli podczas wyjazdowego meczu z Atlético Madryt i domowego z Sevillą.
Nie wiadomo jeszcze, gdzie zagra Illaramendi w przyszłym sezonie, ale na razie nie zapowiada się na zakończenie przez niego kariery.