3 kez double-double yapıp takımının final-foura yükselmesinde önemli bir pay sahibi olmuştur. İlyasova serinin beşinci ve son maçında 3/3 üçlük isabetiyle kaydettiği 19 sayı 10 ribaunt ve 4 asistlik başarılı performansıyla takımına maçı kazandıran isim oldu ve playoff'ların MVP'si seçilme onuruna erişti. Harika oynadığı bir sezonun sonlarına doğru takımın final-foura yükselmesinde en büyük pay sahiplerinden biri olan İlyasova dörtlü finalde istediği süreleri alamadı. Takımı yarı finalde PBK CSKA'ya yenilerek üçüncülük maçına kaldı. Ersan, Olympiakos'la oynanan üçüncülük karşılaşmasında aldığı 10 dakikalık sürede 7 sayı attı. Barcelona bu maçı 95-72 kazanırken İlyasova takımıyla Euroleague üçüncülüğü yaşadı. İlyasova aynı zamanda takımıyla Liga ACB, Supercopa de España ve Katalan Ligi şampiyonluklarını kazandı. İlyasova 2008-09 sezonunda ligde maç başına 9.7 sayı 6.6 ribaunt EuroLeague'de ise maç başına 20.5 dakika sürede %40 üçlük %49.5 ikilik yüzdeleriyle 10.5 sayı ve 7.1 ribaunt ortalamalarıyla oynadı.

Avrupa'daki başarılı performansından sonra takımı Milwaukee Bucks onu NBA'ye geri çağırmıştır ve 2009'un Temmuz ayında Barcelona'nın 5 yıllık kontrat teklifini reddederek Bucks ile $7.5 milyon dolar karşılığında 3 yıllık sözleşme imzalamıştır.
İlyasova ilk maçına 29 Ekim 2009 tarihinde Philadelphia 76ers ile oynanılan karşılaşmada çıkmıştır ve bu maçta 11 sayı 4 ribaunt istatistikleriyle oynamıştır. Türk oyuncu Denver Nuggets'a karşı 17 sayı 8 ribaunt ile oynayarak double-double yapmaya çok yaklaşmıştır. Nitekim 16 Kasım tarihinde Dallas Mavericks'e karşı 19 sayı 12 ribauntluk harika performansıyla NBA kariyerinde ilk kez double-double yapma başarısı göstermiştir. İlyasova 28 Kasım tarihinde Orlando Magic takımına karşı 40 dakika süre aldığı maçta 20 sayı 16 ribauntluk istatistikleriyle oynayarak harika bir oyun çıkarmasına rağmen takımının maçı 98-100 uzatmada kaybetmesine engel olamamıştır. Türk oyuncu 17 Aralık tarihinde oynanan Los Angeles Lakers karşılaşmasında 24 sayı üreterek kariyer sayı rekorunu kırmış, fakat takımı maçı 1 sayı farkla 107-106 kaybetmekten kurtulamamıştır.

İlyasova 14 Ocak 2010 tarihinde Portland Trail Blazers'a karşı 30 dakikada 24 sayı 5 ribaunt istatistikleri ile oynayarak kariyer sayı rekoru olan 24'ü egale etmiştir ve buna rağmen takımı maçı 120-108 kaybetmiştir. 5 Şubat 2010 tarihinde New York Knicks ile oynanılan karşılaşmada 18/10 saha içi isabetiyle 25 sayı atarak kariyer rekorunu kırmıştır ayrıca buna 9 ribaunt eklemiştir. 4 Mart tarihinde Washington Wizards ile oynadıkları maçta 19 sayı 10 ribaunt 6 asist ile harika bir oyun ortaya koyarak takımının maçı 100-87 kazanmasında yardımcı olmuş ve bu performansıyla kariyerinin ilk triple-double'na çok yaklaşmasına rağmen double-double yapmıştır. İlyasova 11 kez double-double yapma başarısı gösterdiği 2009-10 NBA normal sezonunda maç başına 23 dakika süre alıp toplam 81 maçta 10.4 sayı 6.4 ribaunt 1.0 asist %44 ikilik %33 üçlük ortalamalarıyla oynamış ve takımıyla beraber sezonda 46 galibiyet 36 mağlubiyet alarak sezonu 5. sırada bitirip 2010 NBA Playoffları'na kalmayı haketmişlerdir.

NBA Play-off'larda ilk turda rakipleri çok güçlü kadrosu olmayan ama önemli oyunculara sahip Atlanta Hawks olmuştur. Türk oyuncu serinin 2. maçında 13 sayı 15 ribaunt ile oynayarak double-double yapmasına rağmen takımı maçı 96-86 kaybetmiştir. Serideki ilk 2 maçı Atlanta alıp seride 2-0 öne geçse de İlyasova'nın takımı Bucks toparlanınca sonraki 3 maçı alarak seride durumu 3-2'ye getirerek büyük bir avantaj yakaladı. Ancak Atlanta Hawks kalan maçları 2 maç daha kazanmayı başarınca seriyi 4-3 kazanarak turu atlayan taraf olmayı başarmıştır. Türk oyuncu takımı için başarısız geçen 2010 NBA Playoffları'nda maç başına 9.7 sayı 7.6 ribaunt istatistikleriyle oynayarak sezonu noktalamıştır.

İlyasova sezondaki Bucks formasıyla ilk NBA maçına 27 Ekim 2010 tarihinde oynanılan New Orleans Hornets karşılaşmasında çıktı ve bu maçta 4 sayı 3 ribaunt istatistikleri ile oynadı. 11 Kasım tarihinde oynanan Atlanta Hawks maçında 17 sayı 10 ribaunt 2 asistlik performansı ile sezondaki ilk double-double'ını yapmış oldu. Bu maçtan 15 gün sonra Detroit Pistons'a karşı 14 sayı 11 ribaunt istatistikleri ile bir kez daha double-double yaptı. Türk oyuncu 9 Aralık tarihinde Indiana Pacers ile oynanılan karşılaşmada 40 dakika sürede 21 sayı 10 ribaunt 3 asist istatistikleriyle harika oynayarak double-double yaptı ve takımının maçı 97-95 kazanmasında pay sahibi oldu. İlyasova 1 Ocak 2011 günü oynanan Dallas Mavericks maçında tam 17 ribaund çekerek NBA kariyerinin ribaund rekorunu kırmıştır ayrıca bu maçta 16 sayıda atarak double-double yapmıştır. 8 Ocak 2011 tarihinde Brooklyn Nets ile deplasmanda oynanılan karşılaşmada 22 sayı 13 ribaunt 4 asist ile müthiş bir oyun ortaya koyarak double-double yapma başarısı gösterip daha da önemlisi takımına maçı 115-92 kazandıran isim oldu.

28 Ocak tarihinde Toronto Raptors ile oynanan maçta 5/5 üçlükle 25 sayı 7 ribauntluk harika performansıyla yine takımına maçı 116-110'luk skorla kazandıran 2 isimden birisi olmuştur ve maçta attığı 25 sayıyla önceki kariyer sayı rekorunu egale etmiştir. İlyasova 4 Şubat tarihinde oynanılan Golden State Warriors karşılaşmasında 23 sayı 13 ribauntluk harika performansıyla takımının en skorer ismi olup double-double yapsa da takımının maçtan 100-94 mağlup ayrılmasına engel olamamıştır. Türk oyuncu sezonda toplam 8 kez double-double yapma başarısı göstermiştir, ayrıca toplam 4 kez de 20 sayının üzerine çıktığı maç oynamıştır. İlyasova 2010-11 sezonunda çıktığı toplam 60 NBA maçında maç başına 25 dakikada 9.5 sayı 6.1 ribaunt 1.0 asist istatistikleriyle oynayarak sezonu noktalamıştır.

Ağustos 2011'de 2011 NBA lokavtından dolayı Basketbol Süper Ligi takımlarından Anadolu Efes ile 1 yıllığına anlaştı. NBA'de lokavtın bittiği an takımdan ayrılmak şartıyla bir yıllık sözleşme imzaladı. İlyasova Euroleague'deki en verimli performansını Spirou Basket takımı ile oynanan maçta 3/5 üçlükle 21 sayı atarak sergilemiştir. Türkiye Basketbol Ligi'nde oynadığı son maçta ise Tofaşspor karşısında 19 sayı ve 10 ribaundla double-double yaptı. İlyasova lokavt dönemi boyunca Anadolu Efes formasıyla çıktığı sekiz lig karşılaşmasında %43.5 şut yüzdesiyle 13.4 sayı, 6.8 ribaund 1.4 top çalma ortalamalarıyla oynarken Euroleague'de ise maç başına 9.5 sayı ve 5.5 ribaund istatistiklerini yakaladı.

2011 NBA Lokavt'ının bitimiyle NBA'ye Milwaukee Bucks takımına geri dönen İlyasova, ilk başlarda kötü performans sergiledi. İlk 5'teki yerini de kaptırdı. Ama daha sonra harika bir çıkış yakaladı ve kariyerinin en parlak dönemini yaşadı. Mart ayında haftanın oyuncusu seçilme başarısı gösterdi. Lokavttan sonra sezondaki ilk maçına 26 Kasım 2011 tarihinde oynanan Charlotte Bobcats karşılaşmasında çıktı ve bu maçta 2 sayı atabildi. 25 Ocak 2012 tarihinde Houston Rockets ile oynanılan karşılaşmada tam 19 ribaunt alarak kariyer rekorunu kırdı. İlyasova 19 Şubat 2012 tarihinde oynanılan Brooklyn Nets karşılaşmasında 29 sayı 25 ribauntluk olağanüstü performansıyla NBA'deki kariyerinin en iyi maçını çıkardı ve iki kategoride de hem sayı hem ribaund konusunda kariyer rekorunu kırdı. Ayrıca bu müthiş performansıyla Kareem Abdul-Jabbar ve Swen Nater ile birlikte NBA tarihinde bir maçta 25 sayı ve ribaund barajını aynı anda iki kategoriyi birden geçen tarihteki 3. oyuncu olmayı başardı. Türk oyuncu ayrıca bu performansıyla takımının maçtaki en skorer ismi olup maçı takımı Milwaukee Bucks'a 102-95 kazandıran oyuncu olmuştur. 28 Şubat tarihinde oynanan Washington Wizards takımıylaki maçta son saniyelerde attığı sayıyla takımına maçı kazandıran isim olmuştur

1 Mart tarihinde Boston Celtics ile oynanılan karşılaşmada 25 sayı 10 ribaund ile oynayarak double-double yapıp takımının en skorer ismi olup harika bir performans sergilese de takımı maçı 92-86 kaybetmesine engel olamamıştır. İlyasova 7 Mart 2012 tarihinde Chicago Bulls ile oynanılan ve 106-104 kıl payı kaybettikleri karşılaşmada 42 dakika sahada kalıp attığı 32 sayıyla harika bir performans gösterip kariyer sayı rekorunu kırmıştır. Ayrıca bu harika performansına 10'da ribaund ekliyerek double-double yapma başarısı göstermiştir. Türk oyuncu 9 Mart tarihinde New York Knicks'e karşı 26 sayı ile oynamıştır. İlyasova 11 Mart tarihinde oynanan maçta 31 sayı 12 ribaund ile müthiş bir performans sergilemiş double-double yapmıştır, ayrıca takımının en skorer ismi olup Milwaukee'ye maçı 105-99 kazandıran isim olmuştur. Sezon sonlarına doğru bu yaptığı büyük inanılmaz çıkışla NBA En Çok Gelişme Gösteren Oyuncu Ödülü için aday oldu ve Taylandlı Jeremy Lin ile ödül için kapıştı. Jeremy Lin, sezon sonuna doğru sakatlanınca İlyasova'nın ödülü alma şansı artmıştı; ancak sezon sonunda verilen kararla ödül Ryan Anderson'a gitti. İlyasova 2011-12 sezonunda normal sezonda maç başına 27.6 dakika süre alıp 13.0 sayı 8.8 ribaund 1.2 asist ortalamalarıyla sezonu noktalamıştır. 12 Mart 2012 tarihinde Bucks ile 40 milyon dolar karşılığında 5 yıllık yeni sözleşme imzalamıştır.

İlyasova sezondaki ilk maçına 2 Kasım 2012 tarihinde oynanılan 99-88 deplasmanda kazandıkları Boston Celtics karşılaşmasında çıktı ve bu maçta 10 sayı 11 ribaund ile oynayarak sezona double-double yaparak giriş yaptı. 8 Aralık günü Charlotte Bobcats ile oynanılan maçta 19 dakika sürede 21 sayı 12 ribaundluk harika performansıyla double-double yapıp takımının en skorer ismi oldu ve takımının maçı 108-93 kazanmasını sağlayan isim olmayı başardı. Türk oyuncu 31 Aralık tarihinde Detroit Pistons'a karşı 24 sayı atarak başarılı bir performans ortaya koysa da takımının maçı 96-94 kaybetmesine engel olamadı. İlyasova'nın süresi bir ay boyunca koçu Scott Skiles tarafından azaltılsa da 19 Şubat 2013 tarihinde Portland Trail Blazers'a karşı 27 sayı 16 ribaund ve 22 Şubat'ta Philadelphia 76ers takımına ise 27 sayı 14 ribaund istatistiklik harika performanslarıyla iki maç üst üste double-double yaptı ve gösterdiği performansıyla takımına maçları kazandıran isim