A partire dal 2001 raggiunge grande popolarità televisiva grazie alla partecipazione al programma Passaparola di Gerry Scotti in qualità di valletta (con l'appellativo di "letterina"), partecipazione che prosegue fino al 2003. Nel luglio di quell'anno diventa conduttrice con Alvin dell'edizione estiva del programma musicale Top of the Pops, trasmesso da Rai Due.

Dal settembre del 2003 è valletta nella trasmissione di Fabio Fazio Che tempo che fa, trasmessa su Rai Tre. Da settembre 2004 presenta la trasmissione di Rai Due CD live sempre insieme ad Alvin.

Nel giugno del 2005 si è sposata con il calciatore Francesco Totti, dal quale ha avuto due figli, Cristian nato nel novembre 2005 e Chanel nata nel maggio del 2007.

Nel 2006 affianca Giorgio Panariello nella conduzione del Festival di Sanremo insieme a Victoria Cabello. Sempre nel 2006 presenta con il Mago Forest e Cristina Chiabotto il Festivalbar.

Dal 15 gennaio 2007 presenta su Italia 1 Le Iene. La conduzione del programma le è stata affidata dopo che una nota casa che produce prodotti per l'infanzia, e che ha una telepromozione all'interno del programma, l'ha contattata per pubblicizzare i propri prodotti.[senza fonte]

Nel settembre 2007 conduce, insieme al Mago Forest, Mai dire Candid, un programma della Gialappa's Band in prima serata. Il programma va in onda prima de Le Iene, trasmesso in seconda serata e condotto sempre da Ilary, con Luca e Paolo.

Da ottobre 2007 è la testimonial per una serie di spot pubblicitari della compagnia telefonica Vodafone, girati insieme al marito Francesco Totti e al calciatore milanista Rino Gattuso, in seguito partecipa anche il comico Flavio Insinna.

Attualmente conduce Le Iene con il duo comico Luca e Paolo.

 Conduzioni televisive
2003 - Top of the Pops
2003 - Che tempo che fa
2004/2005 - CD live
2006 - Festival di Sanremo
2006 - Festivalbar
2007 - Le Iene
2007 - Mai dire Candid
2008/2009 - Le Iene