Василий Бильбасов принадлежал к полтавскому мелкопоместному дворянству. По окончании историко-филологическом факультета Петербургского университета (1861) специализировался на медиевистике, разделял идеи Ранке.
В 1867 г. защитил докторскую диссертацию о Генрихе IV Распё. Опубликовал 2-томное исследование о Кирилле и Мефодии, а также первую на русском языке биографию Яна Гуса.
В 1869-71 гг. в должности ординарного профессора преподавал в Киевском университете.
В 1871 году в чине статского советника оставил гражданскую службу и по инициативе своего тестя А. А. Краевского перебрался в Петербург, где в течение 12 лет редактировал газету Краевского «Голос» . Издание отражало взгляды и чаяния умеренно либеральной части русского общества, отстаивало необходимость постепенного продолжения начатых преобразований.После закрытия «Голоса» в 1883 году Бильбасов посвятил себя сбору неизвестных ранее документальных материалов по истории правления Екатерины II и их обработке.
В 1880-е он публикует в «Русской старине» серию статей, посвящённых разным аспектам её правления, — «Екатерина II и Дидро» , «Екатерина II во время войны со Швецией» , «Русские избранники XVIII века» , «Дидро в Петербурге» и т. д.Наконец в 1890 году увидел свет первый том фундаментального труда «История Екатерины Второй» . Исследование Бильбасова проливало свет на запретные прежде темы вроде отношений императрицы с фаворитами, изобиловало меткими психологическими зарисовками и историческими анекдотами. Второй том в 1891 г. запрещен цензурой.
К 1896 году из печати вышло ещё два тома. Этот magnum opus остался незавершённым.Бильбасов умер в 1904 году на даче Краевского в Павловске. Эта дача, построенная для фрейлины М. А. Сверчковой, жены дипломата Н. А. Столыпина, была популярна среди столичных литераторов; одно время здесь жила А. Я. Панаева с мужем. Незадолго до смерти Бильбасов предпринял многотомное издание архива родственника Столыпиных, графа Мордвинова.В. А. Бильбасов похоронен в Санкт-Петербурге на Новодевичьем кладбище.