Ha sido ponente en el caso Nevenka Fernández contra Ismael Álvarez, y en el pleno del día 23 de julio de 2014 (narco-barcos).

Fue ponente y principal defensor de la doctrina Parot, pensada para imponer el cumplimiento íntegro de las penas a etarras y otros condenados por delitos graves.

A pesar de haber sido avalada por el Tribunal Constitucional, la doctrina Parot fue recurrida por Inés del Río y anulada por el Tribunal Europeo de Derechos Humanos,[17]​[18]​ al considerar que vulneraba los artículos 5.1 y 7 del Convenio Europeo de Derechos Humanos.

La Sala de Admisión del Tribunal Supremo se declaró competente y designó a Llarena como magistrado instructor.

[20]​ Cuenta con numerosas publicaciones científicas en revistas especializadas y obras conjuntas, destacando los libros dedicados al estudio del Código Penal (Sepín Editorial Jurídica, 2016, cuatro ediciones), Ley de Enjuiciamiento Criminal (Sepín Editorial Jurídica, 2010) y su tesis doctoral, Inviolabilidad e Inmunidad Parlamentaria (publicada por LA LEY, 2012).