Sua primeira conquista em grandes torneios internacionais foi a medalha de bronze no Campeonato Mundial de Atletismo de 2009, em Berlim. Em 2010, ele derrotou o campeão olímpico Steve Hooker no Adidas Grand Prix, em Nova Iorque, saltando a marca de 5,85 m e a isto seguiu-se o título de campeão europeu da prova, com a medalha de ouro do Campeonato Europeu realizado em Barcelona 2010. Em março de 2011, Lavillenie saltou 6,03 m quebrando o recorde francês "indoor" e conquistando o título do Campeonato Europeu de Atletismo em Pista Coberta em Paris, França. Em agosto de mesmo ano, ele conquistou mais um bronze no Mundial de Atletismo de Daegu, na Coreia do Sul, com a marca de 5,85 m.