Ivan Bilibine est né le {{date}} dans le village de Tarkhovo, près de Saint-Petersbourg ; il est le fils d’un médecin militaire et appartient à une vieille famille russe, déjà mentionnée à l'époque d'Ivan le Terrible. Il effectue ses études au Premier gymnasium classique de Saint-Pétersbourg, puis à la faculté de droit de l’Université impériale et à l'École de dessin de la Société pour l'encouragement des arts. En 1898, il étudie dans l’atelier du peintre Anton Aschbe à Munich, puis pendant trois ans dans l’atelier-école de la princesse Tenicheff (Мария Клавдиевна Тенишева), sous la direction du peintre Ilia Répine qui l'influencera durablement. Il vit principalement à Saint-Pétersbourg. Après une formation auprès de l’association Le Monde de l’Art, il en devient un membre actif. L'exposition, en 1898-1899, du peintre Viktor Vasnetsov sera déterminante dans ses inspirations.
En 1899, Bilibine arrive par hasard dans le village d'Egna, dans le gouvernement de Tver. Inspiré à la fois par la nature et par l'atmosphère de culture populaire, il y réalise pour la première fois des illustrations dans ce qu’on appellera plus tard le « style Bilibine » pour son premier livre, Le Conte d’Ivan-Tsarévitch, de L’Oiseau de feu et du Loup gris, publié en 1901 par l'imprimerie d'État Goznak. Suivront, dans la même collection, La Princesse-Grenouille, Vassilissa-la-très-belle, La Plume de Finist Fier-Faucon, Maria des mers, Sœur Alionouchka et frère Ivanouchka et Blanche-Canette, de 1901 à 1903.
De 1902 à 1904, Bilibine voyage dans les gouvernements de Vologda, Olonets et Arkhangelsk. Il y est envoyé par le département ethnographique du Musée Alexandre III, dans le but de rassembler du matériau ethnographique (broderies, artisanat, louboks) et des témoignages photographiques sur l’architecture rurale traditionnelle russe.
Il met son talent pictural au service de l'illustration de bylines (récits épiques appartenant à la tradition orale russe), telle La Volga (1905), de contes de Pouchkine : le Conte du tsar Saltan (1907) et le Conte du Coq d’or (1910), Roslavlev (Éditions de l'Intérêt public, Общественная Польза). Lors de la première Révolution russe de 1905, il produit des caricatures révolutionnaires pour diverses revues satiriques (1905).
Cependant, il réalise aussi des costumes et décors de théâtre : l’opéra Le Coq d'or de Rimski-Korsakov, en 1909 au théâtre Zimina de Moscou, reprend le style des contes de fée avec des motifs ornementaux dans le style russe ancien.
Dans l’esprit du mystère français, se situe le Miracle de Saint Théophile (1907), un drame religieux médiéval ; de l’Espagne du {{XVIIe siècle}}, des esquisses de costumes inspirées pour le drame de Lope de Vega Fuente ovejuna (en français Font-aux-Cabres), pour le drame de Calderón Le Purgatoire de Saint Patrice – mise en scène de l'Ancien Théâtre en 1911. Un souffle satirique anime le vaudeville de G. Sologoub Honneur et vengeance, mis en scène par Bilibine en 1909.
On trouve des vignettes, culs-de-lampes, couvertures et autres travaux de Bilibine dans des revues du début du {{XXe siècle}} telles que Le Monde de l’Art (Мир Искусства), La Toison d’Or (Золотое Руно), dans des publications de L’Églantier (Шиповник) et des Éditions de Moscou (Московскоe Книгоиздательствo). Bilibine est notamment l'auteur de la vignette servant de label à l'Institut d'études slaves de Paris.
Après la Révolution russe de 1917, Bilibine, d'abord réfugié dans sa maison de Crimée, quitte la Russie. À partir de 1920 il vit d’abord au Caire, puis à Alexandrie, avant de s'installer en 1925 à Paris, où il travaille pour les maisons d'édition françaises (Flammarion, Boivin) et pour la presse des émigrés russes. À cette époque, il prépare des décors splendides pour des représentations d’opéras russes ; on invite le peintre à décorer le ballet de Stravinski L'Oiseau de feu à Buenos-Aires et une série d’opéras à Brno et à Prague. Il a des expositions personnelles à Prague en 1927 et à Amsterdam en 1929, et participe à de nombreuses expositions d'art russe.
En 1932 il illustre, pour la maison d'édition « Boivin et {{Cie}} », l'ouvrage de Jeanne Roche-Mazon « Les contes de la couleuvre ». Bilibine place l'héroïne en costume et coiffe du Sud-Finistère parmi les rochers de Ploumanac'h. L'oratoire vers lequel elle prie est inspiré de celui de Saint-Guirec à Perros-Guirec.
Les années passant, il se réconcilie avec le pouvoir soviétique. En 1935-1936, il participe à la décoration de l’ambassade d’Union soviétique à Paris avec le panneau monumental Mikoula Selianinovitch.
Au cours de cette même année 1936, le peintre retourne ensuite dans son pays natal sur le vapeur Lagoda et s’établit à Léningrad. Bilibine enseigne à l’Académie pan-russe de peinture (Всероссийская Академия художеств), tout en continuant à travailler comme illustrateur et comme peintre de décors de théâtre.
Bilibine mourra pendant le blocus de Léningrad, le 7 février 1942, à l’hôpital de cette académie. La dernière œuvre de ce peintre célèbre aura été une étude pour l’illustration de la byline Le Duc Stepanovitch (Дюк Степанович), en 1941. Bilibine est enterré dans la tombe commune des professeurs de l’Académie, en bordure du cimetière dit « de Smolensk ».