Иларион отслужил последнюю литургию. 9 марта того же года пострижен в схиму с сохранением прежнего имени. С 17 августа 1873 г. и до самой смерти ежедневно причащался Святых Таин. Был болен водянкой, с 22 августа 1873 г. не мог ложиться в постель и самостоятельно двигаться, мог сидеть только в кресле. Скончался в полном сознании и памяти. Погребён за алтарём Введенского собора Оптиной пустыни в особом склепе. В скиту Илариона ежегодно поминали 18 сентября (в день кончины) и 21 октября (в день Илариона Великого). В память старца его близкий ученик иеромонах Флавиан (Маленков) первоначально собирался устроить придел во имя Илариона Великого при скитской церкви Иоанна Предтечи, однако позднее за южной стеной монастыря была построена больница, а при ней – храм Илариона Великого (освящён 28 июля 1876 г., вновь освящён в 1991 г.). В 1897 г. было опубликовано жизнеописание Илариона, составленное его учеником. Некоторые приписывают авторство текста схиархимандриту Агапиту (Беловидову), что не подтверждается источниками. 26 июля 1996 г. Иларион был прославлен в Соборе Оптинских старцев в лике местночтимых святых, на архиерейском юбилейном Соборе 2000 г. – общецерковно. 10 июля 1998 г. состоялось обретение мощей оптинских старцев, в том числе Илариона. Мощи почивают в церкви Владимирской иконы Божьей Матери Оптиной пустыни, ежедневно перед ними служат молебны и читают акафист. В Оптиной пустыни подвизались близкие родственники Илариона. Его отец Никита Филимонович Пономарёв жил в Иоанно-Предтеченском скиту в 1842–1849 гг., перед смертью принял постриг с именем Нифонт. Брат Сергей Никитич Пономарёв жил в монастыре в 1863–1881 гг., принял постриг с именем Сергий, перед смертью пострижен в схиму. Племянник С.С. Пономарёв жил в монастыре в 1876–1889 гг., скончался рясофорным монахом. Иконы Илариона, созданные после его канонизации иконописцами Оптиной пустыни, опираются на фотографии преподобного 1860 – начала 1870 гг., в основном, на одну из них: фронтальное изображение сидящего Илариона в мантии и клобуке, с книгой и чётками в левой руке (архив Оптиной пустыни). На другом снимке он показан сидящим вполоборота вправо, с наперсным крестом, с книгой в левой и чётками в правой руке (Церковно-археологический кабинет Московской духовной академии; архив Оптиной пустыни – с подписью на обороте). Подобная ростовая фотография хранится в архиве журнала «Глаголы жизни». На снимке из частного собрания в Козельске Иларион запечатлён фронтально в рост, в мантии, с чётками в руках.