Ilonen siirtyi ammattilaiseksi vuonna 2001. 18. helmikuuta 2007 Ilonen saavutti ensimmäisenä suomalaisena miehenä ET:in osakilpailuvoiton Indonesian Jakartassa pelatussa Enjoy Jakarta Astro Indonesia Openissa. Voiton myötä hän varmisti pelioikeuden ET:lle vuoden 2009 loppuun asti. 19. elokuuta 2007 Ilonen voitti Euroopan kiertueeseen kuuluvan Scandinavian Masters -turnauksen Tukholmassa. Voittonsa myötä hän nousi 20. elokuuta julkistetulla maailmanrankingilla sadan parhaan joukkoon sijalle 71. Ilosen sijoittuminen 3. syyskuuta 2007 julkaistulla maailmanlistalla 68. sijalle varmisti Suomelle ensimmäistä kertaa suoran paikan golfin maailmancupiin. Ilonen on pelannut useita kertoja golfin major-turnauksissa.
Elokuussa 2014 Ilonen saavutti parhaan major-sijoituksensa ollessaan jaetulla seitsemännellä sijalla Yhdysvaltain PGA Championship-turnauksessa. Turnauksen jälkeen hänen sijoitus maailmanlistalla oli 46. Lokakuussa 2014 Ilonen voitti Euroopan kiertueen reikäpelimestaruuden (Volvo World Match Play Championship) saaden uransa suurimman palkintosumman 650 000 euroa ja nousten maailmanlistalla sijalle 37., joka on suomalaispelaajan kaikkien aikojen korkein sijoitus maailmanlistalla. Samalla Ilonen varmisti paikkansa vuoden 2015 US Masters -turnauksessa. Ilonen selvisi myös Rio de Janeiron olympialaisiin 2016.
Saavutuksia
- 2000 The Amateur Championship, voitto
- 2001 British Open, jaettu 9. sija
- 2002 The Celtic Manor Resort Wales Open, 3. sija
- 2006 The Open Championship, jaettu 16. sija
- 2007 Indonesian Open, voitto
- 2007 Scandinavian Masters, voitto
- 2009 Madrid Masters, 2. sija
- 2010 Trophée Hassan II, jaettu 3. sija
- 2013 Nordea Masters, voitto
- 2014 Irish Open, voitto
- 2014 PGA Championship, jaettu 7. sija
- 2014 Volvo World Match Play Championship, 1. sija