Ihr Debüt im Erwachsenenbereich gab Bilossjuk 2005 im Biathlon-Europacup. Bei ihrem ersten Rennen, einem Sprint in Windischgarsten, wurde sie 18. Zum ersten Mal im Biathlon-Weltcup trat die Ukrainerin 2007 in Lahti an, wo sie Platz 44 im Sprint und 45 in der Verfolgung belegte. Erste Weltcuppunkte gewann sie als 29. im Einzel zum Auftakt der &lt;a href="Biathlon-Weltcup%202008/2009"&gt;Saison 2008/09&lt;/a&gt; in Östersund. Ihren ersten Weltcupsieg konnte sie 2009 in Oberhof mit der ukrainischen Staffel feiern. Die erste Top-Ten-Platzierung schaffte Olena Bilossjuk mit Platz zehn im Einzel beim Weltcupauftakt 2009 in Östersund. Ihre bislang beste Weltcup-Platzierung ist Rang sieben, ebenfalls in Östersund erreicht, im Sprintrennen. 2009 gewann sie mit der ukrainischen Staffel die Europameisterschaft, 2010 wurde sie wieder mit der Staffel Vizeeuropameisterin. Olena Bilossjuk nahm an den Olympischen Winterspielen 2010 teil. Ihr bestes Einzelresultat war der zwölfte Platz im Massenstart. Mit der Staffel belegte sie Rang sechs. Zum Auftakt des &lt;a href="Biathlon-Weltcup%202012/2013"&gt;Weltcups 2012/2013&lt;/a&gt; in Östersund konnte sich Olena Bilossjuk erstmals auf dem Podium des Biathlon-Weltcups präsentieren. Im Sprint belegte sie den zweiten Platz. Diesen Erfolg wiederholte sie im weiteren Verlauf der Saison bei einem Verfolgungsrennen hinter Tora Berger in Antholz. Mit sechs Top-Ten-Resultaten in 14 Rennen, Rang 33 als schlechtestem Ergebnis und Rang acht in der Gesamtwertung war sie zu der Zeit beste Biathletin ihres Landes. In Oberhof gewann sie an der Seite von Julija Dschyma, Valj und Vita Semerenko zudem erneut ein Rennen mit der Staffel, in Hochfilzen mussten sie sich zuvor nur Norwegen geschlagen geben. Ihr erster Einzelsieg gelang ihr bei den Biathlon-Weltmeisterschaften 2013, als sie vor Tora Berger die Goldmedaille im Sprint gewann und anschließend noch Bronze im Verfolgungsrennen und Silber mit der ukrainischen Staffel holte.