Основной оперативной задачей Илларионова в Генуе был сбор информации о производстве, рыночной стратегии и научных исследованиях на предприятиях ВПК, расположенных в Лигурии: «Ото Мелара», «Элсаг», «Итал-кантьери», «Маркони» и других. Со своими задачами Илларионов справлялся успешно, о чем свидетельствует тот факт, что он получил полные данные о проекте и строительстве быстроходного транспортного корабля «Дестриеро».
Однако в декабре 1990 года Илларионов встал на путь предательства и начал сотрудничать с представителями ЦРУ в Италии. Об этом факте стало известно КГБ, вполне возможно получившему эту информацию от О. Эймса, работавшего в это время в контрразведывательном центре ЦРУ в Ленгли. Было принято решение отозвать Илларионова из Италии, но это только насторожило его. В январе 1991 года в одном из ресторанов в Сан-Ремо Илларионов и его жена встретились с двумя сотрудниками ЦРУ и вместе разработали план бегства в США.
Двенадцатого февраля 1991 года в последний день карнавала после дружеской вечеринки Илларионов с женой покинули Геную на собственной автомашине. За городом они бросили свой новый белый «Гольф» и пересели в машину, которая доставила их в аэропорт Мальпенса, откуда на частном самолете с американскими паспортами на руках они покинули Италию. В консульстве Илларионовых хватились только на четвертый день. К поискам была подключена итальянская полиция, а потом и контрразведка (СИСМИ). Однако расследование они вели весьма неторопливо и обыск в доме Илларионовых был произведен только спустя две недели.
Тем временем Илларионов вместе с женой прибыл в США на военную базу в Пенсаколе во Флориде, где начал давать подробные показания сначала сотрудникам ЦРУ и ФБР, а потом и представителям СИСМИ.
Первым от предательства Илларионова пострадал Раффаэле Натале, молодой итальянский карабинер, служивший с 1984 по 1988 год в итальянском посольстве в ГДР. В обмен на выездную визу для своей невесты, полученную при содействии Илларионова, он передал интересующие того документы. В ноябре 1991 года Натале был арестован, во всем сознался и был приговорен к шести годам девяти месяцам тюремного заключения за шпионаж.
Всего Илларионов назвал 28 человек, причастных, по его словам, к шпионской деятельности в пользу КГБ. Среди них, помимо представителей бизнеса и государственных служащих, было два генерала, состоявшие на службе в итальянской армии и имевшие связи с командованием НАТО. По некоторым данным, Илларионов впервые установил с ними контакты во время ежегодных военно-морских смотров, проводимых в Генуе. В конце января 1992 года итальянцы совместно с ЦРУ провели задержание ряда лиц, названных Илларионовым, и в отношении них началось судебное разбирательство. Сам же Илларионов, получив политическое убежище, остался в США.