1973-1988 годах выступал за клуб "Динамо" (Москва), серебряный призер чемпионатов СССР 1977-1980 и 1985-1987, бронзовый призер чемпионатов СССР 1974, 1975, 1981-1983 и 1988, в чемпионатах СССР провел 588 матчей, забил 63 гола, обладатель Кубка СССР 1976;
Чемпион зимних Олимпийских игр (1984, Сараево), чемпион мира 1978, 1979, 1981-1983 и 1986, серебряный призер Чемпионата мира 1987, бронзовый призер Чемпионата мира 1985; чемпион Еропы 1978, 1979, 1981-1983 и 1985-1987; серебряный призер зимних Олимпийских игр (1980, Лейк-Плэсид); обладатель Кубка Канады 1981, участник розыгрышей Кубка Канады 1976 и 1984; в чемпионатах мира и Европы и зимних Олимпийских играх - 77 матчей, 8 голов; в турнирах Кубка Канады - 18 матчей;
1988-1993 - тренер клуба "Динамо" (Москва); 1993-1997 - тренер клуба "Виннипег Джетс" (НХЛ); 1997-2000 - главный тренер клуба "Динамо" (Москва); 2001 - тренер фарм-клуба "Чикаго Блэк Хоукс" (НХЛ), затем главный тренер клуба "Лугано" (Швейцария); 2002-2004 - главный тренер "Динамо" (Москва);
С 30 сентября 2004 года по июнь 2011 года — главный тренер клуба «Ак Барс». Под его руководством команда завоевала «золото» чемпионата России, Кубок европейских чемпионов и стала первым в истории обладателем Кубка Гагарина Континентальной хоккейной лиги, а затем — двукратным победителем турнира. Этот титул стал для Билялетдинова четвёртым в чемпионатах России (один раз с московским «Динамо» и трижды с «Ак Барсом»), в результате он стал единоличным рекордсменом по этому показателю среди тренеров в России.
27 июня 2011 года Билялетдинов вновь стал главным тренером сборной России. Контракт был рассчитан до 2014 года, до конца Зимних Олимпийских игр 2014 в Сочи.
20 мая 2012 года сборная России под руководством Билялетдинова стала чемпионом мира, победив во всех 10 играх турнира. На чемпионате мира 2013 года россияне впервые за 6 лет не сумели выйти в полуфинал, разгромно проиграв в 1/4 финале сборной США (3:8).
На Олимпиаде в Сочи сборная России под руководством Билялетдинова показала невыразительную игру и вылетела на стадии четвертьфинала, уступив финнам со счётом 1:3.