В 1899 году Билибин случайно приезжает в деревню Егны Весьегонского уезда Тверской губернии. Здесь он впервые создает иллюстрации, в ставшем в последствии «билибинском» стиле, к своей первой книге «Сказка о Иван-царевиче, Жар-птице и о Сером волке».
В 1902, 1903 и 1904 Билибин посещает Вологодскую, Олонецкую и Архангельскую губернии, куда его командирует этнографический отдел Музея Александра III для собирания этнографических материалов и фотографирования памятников древнерусской деревянной архитектуры.
Художественный талант Билибина ярко проявился в его иллюстрациях к русским сказкам и былинам, а также в работах над театральными постановками. С 1899 по 1902 он создаёт серию из шести «Сказок», изданных Экспедицией заготовления государственных бумаг, затем то же издательство выпускает сказки Пушкина с иллюстрациями Билибина. В частности, появились «Сказка о Царе Салтане» (1907) и «Сказка о Золотом Петушке» (1910). В 1905 издана иллюстрированная Билибиным былина «Вольга», а в 1911 — сказки Рославлева в издательстве «Общественная Польза». К тому же «сказочному» стилю с древнерусскими орнаментальными мотивами относится постановка оформленной Билибиным оперы «Золотой Петушок» в 1909 в театре Зимина в Москве.
В духе французской мистерии представлено им «Чудо св. Теофила» (1907), воссоздающее средневековую религиозную драму; Испанией XVII века вдохновлены эскизы костюмов к драме Лопе де Вега «Овечий источник», к драме Кальдерона «Чистилище св. Патрика» — театральная постановка«Старинного Театра» в 1911 г. Шутливой карикатурой на ту же Испанию веет от водевиля Г. Сологуба: «Честь и Месть», поставленного Билибиным в 1909 г.
Заставки, концовки, обложки и другие работы Билибина встречаются в таких журналах начала XX века, как «Мир Искусства», «Золотое Руно», в изданиях «Шиповника» и «Московского Книгоиздательства».
Во время революции 1905 года художник создаёт революционные карикатуры. После Октябрьской революции 1917 Билибин уезжает из России. С 1920 он сперва живёт в Каире, затем в Александрии, а в 1925 обосновывается в Париже. В это время он готовит блистательные декорации к постановкам русских опер, художника приглашают оформить балет Стравинского «Жар-птица» в Буэнос-Айресе и ряд опер в Брно и Праге.
С годами он примиряется с советской властью. В 1935—1936 он участвует в оформлении советского посольства в Париже, создаёт монументальное панно «Микула Селянинович».
После этого, в том же 1936 году, художник на теплоходе «Ладога» возвращается на родину и поселяется в Ленинграде. Билибин преподаёт во Всероссийской Академии художеств, продолжает работать как иллюстратор и художник театра.
Билибин умер в блокадном Ленинграде 7 февраля 1942 года в больнице при Всероссийской Академии художеств. Последней работой знаменитого художника стал подготовительная иллюстрация к былине «Дюк Степанович» в 1941 году. Похоронен в братской могиле профессоров Академии художеств возле Смоленского кладбища
