L’aventure de Renaud Lavillenie aux 24 Heures Motos a débuté en 2011 en tant que chronométreur. En 2012, il est invité par l’Automobile Club de l’Ouest à donner le départ de la 35e édition, mais l’envie d’aller plus loin et plus haut est trop forte. Un an plus tard, il figure sur la liste des engagés en tant que pilote de réserve de la Suzuki #63 du Team AZ Motos alignée en catégorie Superstock. Il a pour coéquipiers Stéphane Mezard, David Dumain et Philippe Monneret, vainqueur des 24 Heures Motos 1991 avec Kawasaki. À l’issue des qualifications, il est titularisé pour la course à la place de Philippe Monneret. « Je suis là parce que je recherche du plaisir et des sensations sur la moto. Ça me permet de me libérer, de changer d’air et de partager des moments extraordinaires durant une semaine avec mon équipe. Franchir la ligne d’arrivée serait un exploit pour moi », explique le perchiste avant le départ. Durant la course, Renaud Lavillenie tient son rang. Avec ses coéquipiers, il rallie l’arrivée en 25e position du classement général après être parti de la 53e place de la grille de départ.

En 2014, Renaud Lavillenie est de retour aux 24 Heures Motos, toujours au guidon de la Suzuki #63 du Team AZ Motos. Stéphane Mezard et David Dumain restent ses coéquipiers. Fort de sa première participation, le pilote auvergnat aborde malgré tout la course avec humilité : « L’objectif premier c’est de terminer la course une nouvelle fois. C’est quand même un gros défi, car chaque année, il y a entre 10 et 15 équipes qui ne vont pas au bout. Puis, si la course se déroule bien, pourquoi ne pas faire mieux que l’an passé et intégrer le top 20 du classement général. Nous allons mettre en place différentes stratégies qui vont nous faire gagner du temps ». Malheureusement, le sort va en décider autrement. David Dumain est victime d’une lourde chute en début de course et le Team AZ Motos est contraint à l’abandon. Le repositionnement des 24 Heures Motos en avril et la préparation des Jeux olympiques de Rio 2016 empêchent Renaud Lavillenie de revenir aux 24 Heures Motos les années suivantes.

Renaud Lavillenie conserve néanmoins un attachement au Mans. En 2018 et 2019, à l’initiative de Frédéric Sausset, premier pilote quadri amputé à disputer les 24 Heures du Mans (2016), il a offert des baptêmes de piste sur le circuit Bugatti à des enfants malades. « Maintenant, je prends le temps de me fixer de nouveaux objectifs. Mon rêve serait de participer aux 24 Heures du Mans dans un avenir plus ou moins proche. J’ai envie d’aller plus loin. Je me consacre d’abord au saut à la perche et ensuite on verra », avait-il confié.