Zawodnik pochodzący z Pampeluny wiele lat występował m.in. w Serie A. Najpierw, w lipcu 2013 roku dołączył do Juventusu, w którym spędził dwa lata przed odejściem do Sevilli. We wrześniu 2019 roku Llorente wrócił do Włoch i zasilił szeregi SSC Napoli jako wolny zawodnik. Piłkarzem aktualnego lidera ligi był przez 18 miesięcy. Sezon 2020/21 zakończył w Udinese.
Niezawodny snajper wyróżniał się również na boisku tym, że potrafił przytrzymać piłkę i stworzyć szanse dla kolegów z drużyny. W koszulce Starej Damy zaliczył najbardziej udany sezon w swojej karierze i trzykrotnie świętował zdobycie Scudetto. Triumfował także w Pucharze Włoch i dwóch Superpucharach, a w sezonie 2014/2015 zasmakował atmosfery finałowego starcia w Lidze Mistrzów przeciwko Barcelonie. Z reprezentacją narodową w 2010 roku cieszył się z tytułu mistrza świata.
Zawodnik pochodzenia baskijskiego wychowywał się w młodzieżowych drużynach Athleticu Bilbao, w którym zadebiutował w dorosłym futbolu. W swojej karierze reprezentował również barwy takich klubów jak CD Basconia, Swansea czy Tottenham Hotspur.
Na różnych poziomach rozgrywkowych Llorente wystąpił łącznie w 628 meczach, w których strzelił 185 goli i zanotował 61 asyst.
Zapytany, czy kiedykolwiek wróci jeszcze na boisko, odpowiedział: "Nie, teraz mam jasność co do wszystkiego. Gram w padla i to mnie utrzymuje w dobrej formie"