Etter at han vendte tilbake til Utenriksdepartementet kom han i 1987 til Norges delegasjon til FN og andre internasjonale organisasjoner i Genève som ambassaderåd. Tilbake i Oslo var han rådgiver i europeiske saker i Landbruksdepartementet 1993 til 1994 før han fikk oppgaver knyttet til GATT og Verdens handelsorganisasjon i Utenriksdepartementet. Deretter arbeidet Lillerud som spesialrådgiver i nordiske saker og investeringssaker knyttet til OECD (1995 til 2000). Så fulgte utenlandsposteringer, først som ministerråd ved Norges ambassade i Berlin i Tyskland (2000–2002), deretter som ministerråd ved Norges delegasjon til OECD i Paris (2002–2005). Lillerud var fra 2005 til 2009 norsk forhandlingsleder i Doharunden i Verdens handelsorganisasjon.