Nato a Media, in Pennsylvania, ancora piccolo si sposta con la famiglia prima in Alabama, poi in Louisiana e infine in Connecticut.[1] Scopre la recitazione all'età di 9 anni, quando interpreta Ebeneezer Scrooge, durante una recita scolastica dell'adattamento teatrale A Christmas Carol dell'omonimo romanzo di Charles Dickens.[1] Una volta laureatosi in teatro al College di Bennington, in Vermont, si trasferisce a Seattle, Washington, dove inizia la carriera teatrale.[1] In questo periodo recita in produzioni come The Time of Your Life, The Nerd e Pinter’s The Birthday Party e fonda una propria compagnia teatrale, Book-It, e un proprio studio di recitazione, Freehold, entrambi tuttora attivi.[1]
Trasferitosi a Los Angeles, in California, inizia recitando in serie diverse televisive.[1] Nel 1988 compare nel film Seven Hours to Judgment. Da quel momento appare in ruoli minori in film e serie televisive.
Nel 1999 appare in un episodio della serie televisiva X-Files, nel ruolo di un amico dei Pistoleri Solitari, che si rivelerà nel corso dell'episodio essere una spia del governo. Nel 2000 ottiene il ruolo principale del Professor Miles Ballard nella serie televisiva di breve durata The Others. Nello stesso anno inoltre recita nel film indipendente Breathing Hard accanto a John Rafter Lee e June Claman.
Nel 2001 entra a far parte del cast principale di Star Trek: Enterprise, quinta serie televisiva live-action del franchise di Star Trek, nel ruolo dell'eccentrico Dottor Phlox, medico di bordo dell'astronave Enterprise NX-01 capitanata da Jonathan Archer. Billingsley prende parte a 90 dei 98 episodi complessivi della serie, dal 2001 al 2005.
È conosciuto dai fan di Cold Case - Delitti irrisolti per le sue apparizioni nella seconda stagione della serie, nel ruolo del serial killer George Marks, che viene ucciso nell'ultimo episodio della stessa stagione.
Un altro ruolo importante dell'attore è stato quello di Terrence Steadman, fratello del vicepresidente, nella prima stagione di Prison Break. Avrebbe dovuto interpretare questo ruolo anche nel corso della seconda stagione, ma fu chiamato per recitare nella serie televisiva The Nine e per questo motivo fu sostituito da Jeff Perry.
Tra il 2006 e il 2007 ha recitato in The Nine nel ruolo principale di Egan Foote.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, John Billingsley è stato doppiato da:
Mino Caprio in Out of Time (nelle proiezioni per i voli aerei internazionali),[2]West Wing - Tutti gli uomini del Presidente, Cold Case - Delitti irrisolti, The Nine, Catalina island, Revenge, The Orville