Illarionowa lief anfangs für die russische Jugendnationalmannschaft auf, mit der sie 2016 die Goldmedaille bei der U-18-Weltmeisterschaft gewann. Mit der russischen Juniorinnennationalmannschaft gewann sie 2017 die Silbermedaille bei der U-19-Europameisterschaft, die der Mannschaft jedoch später wegen eines Dopingverstoßes aberkannt wurde. Bei der U-20-Weltmeisterschaft 2018 belegte sie mit Russland den vierten Platz. Mittlerweile gehört sie dem Kader der russischen Nationalmannschaft an. Mit Russland gewann sie die Bronzemedaille bei der Weltmeisterschaft 2019. Im darauffolgenden Jahr belegte sie den fünften Platz bei der Europameisterschaft.