Na stopień kapitana awansował ze starszeństwem z 1 stycznia 1932. W marcu 1939 pełnił służbę w Akademii Wychowania Fizycznego Józefa Piłsudskiego w Warszawie na stanowisku kierownika oddziału cywilnego.
Wobec zagrożenia konfliktem zbrojnym 24 sierpnia 1939 zgodnie z przydziałem mobilizacyjnym udał się do Włodzimierza Wołyńskiego. Po wybuchu II wojny światowej 1939 i agresji ZSRR na Polskę z 17 września 1939, 20 września w nieznanych okolicznościach dostał się do niewoli sowieckiej. Najpierw trafił do obozu przejściowego w Szepetówce, a stamtąd do obozu jenieckiego w Kozielsku. 15 kwietnia 1940 przekazano go do dyspozycji naczelnika Zarządu NKWD Obwodu Smoleńskiego. 16 lub 17 kwietnia 1940 został zamordowany przez funkcjonariuszy NKWD w Katyniu i tam pogrzebany w bezimiennej mogile zbiorowej, gdzie od 28 lipca 2000 mieści się oficjalnie Polski Cmentarz Wojenny w Katyniu.
W Lesie Katyńskim prowadzone były ekshumacje i prace archeologiczne. W 1943 jego ciało zidentyfikowano podczas ekshumacji prowadzonych przez Niemców pod numerem 1856. Przy zwłokach Józefa Bilewskiego zostały odnalezione: legitymacja oficerska, karta szczepień, wizytówki oraz fotografie. Figuruje na liście wywózkowej 029/1 z kwietnia 1940.