В. Е. Илларионов занимается разработкой и применением физиотерапевтических методов профилактики и лечения различных патологий, а также методов медицинской, психологической и профессиональной реабилитации больных и инвалидов. Параллельно осуществляет педагогическую деятельность. Области научных интересов: изучение механизма взаимодействия внешних физических факторов с живым организмом; изучение информационных взаимодействий в природе и между биологическими объектами; разработка новой физиотерапевтической аппаратуры для профилактики заболеваний, лечения и реабилитации больных и инвалидов; разработка методологии научных исследований в медицине.