На том же Соборе рассматривались обвинения в богослужебных нововведениях, выдвинутые суздальским священником Никитой Константиновичем Добрыниным против Суздальского архиепископа Стефана – сторонника Никона. Собор приговорил Суздальского архиерея к извержению из сана, но царь простил Стефана, а Никита Добрынин был лишён права священнодействовать и передан городскому суду. В марте 1662 г., после анафематствования Никоном Крутицкого митрополита Питирима, царь направил несколько архиереям, в том числе Илариону, грамоты с вопросом, следует ли признавать действенность проклятия, наложенного Никоном. По мнению исследователей, категоричность позиции Рязанского архиерея, решительно осудившего Никона, стала причиной того, что в «деле Никона» Иларион выдвинулся на первый план как один из главных исполнителей предначертаний царя (в кратком ответе Илариона царю нет разбора инцидента, Рязанский архиерей утверждает, что самовольным оставлением Патриаршего престола Никон лишил себя права участвовать в церковных делах. 21 декабря 1662 г. Алексей Михайлович издал повеление созвать для суда над Никоном Собор с участием восточных патриархов. Во главе комиссии, задачей которой было подготовить материалы для Собора, был поставлен Иларион. В 1664 г. на связанный с «делом Никона» вопрос царя, можно ли схимонаха поставить архиереем, Иларион ответил так, как ожидал Алексей Михайлович. 10 февраля 1665 г. Рязанский архиепископ участвовал в Соборе, отстранившем митрополита Ростовского и Ярославского Иону (Сысоевича) от местоблюстительства Патриаршего престола за принятие благословения от Никона. Иларион стал одним из наиболее активных участников Большого московского собора 1666–1667 гг. Современники (сторонники царя) называли Илариона и Сарского митрополита Павла «столпами» Собора. Рязанский архиерей участвовал в предшествовавших Собору увещаниях старообрядцев, привезённых в Москву из ссылок. Иларион увещевал инока Авраамия. На Соборе вместе с митрополитом Павлом уговаривал подчиниться церковным властям Аввакума Петрова, который позднее вспоминал: «На сонмице-той лукавой пред патриархами-теми Вселенским говорили мне Иларион и Павел: “Аввакум милой, не упрямься. Что ты на русских святых указываешь? Глупы наши святыя были и грамоты не умели, чему им верить!” Помните, чаю, не забыли, как я бранить стал, а вы меня бить стали» («Памятники истории старообрядчества XVII в.»). 2 ноября 1666 г. Рязанский архиепископ произнёс приветственную речь на торжественной встрече прибывших в Москву патриархов Паисия Александрийского и Макария III Антиохийского. Царь определил митрополита Павла и Илариона к патриархам в качестве «толмачей» (поскольку архиереи плохо знали или совсем не владели греческим языком, их задачей, по мнению исследователей, был не перевод, но доведение точки зрения царя до сведения патриархов на совещаниях, проходивших в кельях греков). На соборных заседаниях Иларион был одним из свидетелей, выступавших против Никона, после окончания суда Рязанский архиепископ прочёл «Объявление о низложении Никона».