El gran rendimiento que ofreció en Eibar hizo que el Valladolid se fijara en él y lo fichara en la temporada 2005/06, cuando el cuadro vallisoletano regresó a la élite del fútbol nacional. En Pucela permaneció tres temporadas, coincidiendo de nuevo con Mendilibar, ganándose el cariño de la afición blanquivioleta marcando 44 goles en 98 partidos de Liga. En la temporada 2008/09 se oficializó su fichaje por el Villarreal, club en el que permaneció dos temporadas ofreciendo un nivel altísimo y donde pudo disputar la Champions League, torneo en el que consiguió anotar un hat trick frente al Aalborg BK. En la disciplina del Villarreal disputó un total de 79 partidos, consiguiendo marcar 29 goles.
Con el regreso de la Real Sociedad a la élite del fútbol nacional en la temporada 2009/10, Joseba Llorente regresó al equipo en el que se formó como el fichaje estrella del equipo presidido por Jokin Aperribay. Tras un comienzo esperanzador, la ilusión que provocó el regreso de un futbolista muy querido por la afición txuriurdin se fue apagando poco a poco tras conocerse la lesión que padecía, al parecer, desde su estancia en Villarreal. En su segundo época como realista, Joseba no pudo cumplir su sueño de triunfar en su equipo del alma debido a la hernia discal que le detectaron a finales de Enero de 2011. Tras perderse el resto de la temporada, se esperaba que el delantero hondarribitarra volviera a ofrecer su mejor nivel en la temporada 2011/12, pero el bravo atacante guipuzcoano no volvió a contar con demasiadas oportunidades al no superar del todo su lesión.
Viendo que en la Real de Montanier no iba a poder volver a recuperar protagonismo, en el verano de 2012 se decidió su cesión al Osasuna de José Luis Mendilibar, con quien coincidió por tercera vez en su carrera, con la esperanza de que a base de minutos recuperara su mejor versión, cosa que no ocurrió. En Pamplona apenas tuvo oportunidades y cada vez que saltó al césped dejo evidencias de que ya no era aquel delantero aguerrido que volvía locas a las defensas rivales. Tras regresar a la Real el pasado verano, la entidad txuriurdin llegó a un acuerdo con el futbolista para rescindir su contrato y ahora, tras no recibir ninguna oferta interesante en los últimos meses, ha decidido poner fin a su carrera de futbolista profesional. Sólo una oferta interesante, que parece muy complicado que se produzca, haría cambiar de decisión al bravo delantero que no pudo cumplir su sueño de triunfar en su equipo del alma, la Real Sociedad.
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