Родился в Сестрорецке в семье военного врача.

Учился в Первой Санкт-Петербургской классической гимназии, окончил юридический факультет Санкт-Петербургского университета. В 1895—1898 годах занимался в рисовальной школе Общества поощрения художеств, два месяца учился в мастерской художника Антона Ашбе в Мюнхене. Несколько лет занимался под руководством Ильи Репина в школе-мастерской княгини Марии Тенишевой, затем под руководством Репина в Высшем художественном училище Академии художеств.

В 1899 году Билибин случайно приезжает в деревню Егны Весьегонского уезда Тверской губернии. Здесь он впервые создаёт иллюстрации в ставшем впоследствии «билибинском» стиле к своей первой книге «Сказка о Иван-царевиче, Жар-птице и о Сером волке».

В начале ХХ века Билибин посещает Вологодскую, Олонецкую и Архангельскую губернии, куда его командирует этнографический отдел Музея Александра III для изучения деревянной архитектуры.

Во время революции 1905 года художник создаёт революционные карикатуры.

После Февральской революции Билибин создал эскиз с изображением двуглавого орла, который использовался в качестве временного символа Российской республики. В 1992 году сходный рисунок художника был положен в основу эмблемы Банка России.

С 1920 года Билибин жил в Каире. В Египте он работал над эскизами панно и фресок в византийском стиле для особняков богатых греческих купцов. Изучал египетское искусство, сперва мусульманское и коптское, а затем искусство Древнего Египта.

В 1925 году Билибин переехал в Париж. В это время он готовил блистательные декорации к постановкам русских опер.

В 1936 году художник вернулся в Советский Союз и поселился в Ленинграде. Он преподавал во Всероссийской Академии художеств, продолжал работать как иллюстратор и художник театра.

С 1937 по 1942 год Билибин жил и работал в доме № 25 на улице Лизы Чайкиной. В 2002 году на фасаде дома установлена мемориальная доска.