В заграничной кампании 1813 года Иловайский с отличием участвовал в ночном бою у Нордгаузена, в делах под Наумбургом и Вейсенфельсом, на пути к Кульму он окружил своим полком отступавшего генерала Вандама и взял его в плен вместе со всем штабом. Далее Иловайский участвовал в сражениях под Люценом, Бауценом, Кульмом (за отличие награждён орденом Св. Анны 1-й степени) и Лейпцигом. Вечером 6 октября 1813 года император Александр I, предвидя отступление французов от Лейпцига, вызвал к себе Иловайского и сказал ему: «Видишь, победа наша. Опереди неприятельскую армию, разрушай мосты и гати и тем останавливай её; словом, наноси ей возможный вред. Но где же ты переправишься через реку? Мост в Лейпциге занят неприятелем». — «Казакам река не преграда, — отвечал Иловайский, — переправимся и вплавь». Иловайский в точности выполнил указания Государя и, переправившись через реку с 2 казачьими полками, пошёл к Франкфурту, истребляя мосты и запасы на пути отступления французской армии и имея почти беспрерывные бои, занял Веймар, по выходе из которого имел удачное дело с конной дивизией генерала Фурнье, 8 офицеров и около 400 нижних чинов были взяты в плен. 15 октября Иловайский, соединясь с генералом Чернышёвым, предупредил отход неприятеля в Фульде, где уничтожил большой магазин и взял до 500 пленных, оттеснил гвардейскую дивизию генерала Дюмустье к Ганау и принял деятельное участие в победе, одержанной союзниками у этого города; за этот подвиг Иловайский был награждён золотой с алмазами шпагой. Достигнув Франкфурта-на Майне, Иловайский остался там в ожидании прибытия императора Александра I. По приезде государя во Франкфурт 10 декабря Иловайский был удостоен ордена Св. Георгия 3-й степени