Спустя пять лет (в синаксарной редакции – четыре года) Иларион Грузин, решивший продолжить паломничество в Константинополь, велел ученикам возвести «каменную малую келлию», а сам в сопровождении ученика Исаака в 869 г. отправился в византийскую столицу и поклонился Древу Креста Господня (в метафрастической версии – сначала прибыл в Константинополь, затем на Олимп, после снова в Константинополь). На 14-й день пути в Рим у вертограда близ Фессалоники Иларион Грузин исцелил человека, который 13 лет не мог ходить (в синаксарной редакции – 13-летнего отрока). В Риме, поклонившись мощам апостолов Петра и Павла, подвижники провели два года «в ангельской жизни и подвигах». На обратном пути в Константинополь, вновь оказавшись в Фессалонике, где Иларион Грузин молился перед мощами Димитрия Солунского, преподобный исцелил 4-летнего сына правителя. Счастливый отец «ввёл его в дом свой и молил святого Илариона выбрать желанное ему место и остаться в нём. Он же избрал место удобное и тихое, и построили ему на том месте церковь» (в метафрастической редакции – здесь до этого подвизался некий монах); многие приняли от рук Илариона Грузина постриг. Во всех четырёх редакциях описывается чудо, которое произошло в это время с фессалоникийским диаконом (в метафрастической редакции уточняется: «из фессалоникийской церкви вмч. Димитрия Солунского»), которого в собственном винограднике схватили «язычники» (в метафрастической редакции – скифы) и увели в плен. Обратившись в молитвах к Илариону Грузину, диакон во сне увидел преподобного, велевшего ему безбоязненно пройти сквозь стражу, что диакон, пробудившись и увидев себя свободным от уз, и сделал. Вернувшись в город, он всем рассказал о чуде. В Фессалонике (в метафрастической редакции – в течение трёх лет) Иларион Грузин подвизался «в подвигах, превосходящих природу человеческую». Узнав о времени своей кончины, старец призвал правителя города и духовно наставлял его. В субботу 19 ноября, произнеся наставление ученикам и причастившись, Иларион Грузин скончался в возрасте 53 лет. Правитель города велел упокоить подвижника в мраморной раке в фессалоникийской церкви, где он подвизался. «Господь через него (Илариона Грузина)... исполнил множество знамений и исцелений, ибо, пребывая во плоти, святой не возжелал принять славу людскую, но Бог... по смерти возвеличил его»: исцелились двое бесноватых, коснувшись мощей святого, и сын правителя Прокопий, который провёл ночь в раке Илариона Грузина, а также много недужных и бесноватых.