2004 begann für Bilonoh mit einem achten Platz bei den Hallenweltmeisterschaften in Budapest eher verhalten. Bei den Olympischen Spielen 2004 in Athen wurde der Wettbewerb im Kugelstoßen an antiker Stätte in Olympia ausgetragen. Bilonoh und Adam Nelson stießen jeweils 21,16 m, aber da dem gedopten Bilonoh noch zwei Stöße von 21,15 m gelangen, wurde er zunächst Olympiasieger. Bei den Weltmeisterschaften 2005 in Helsinki wurde er mit 20,89 m Vierter, bei den Europameisterschaften 2006 in Göteborg Sechster mit 20,32 m und bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking Sechster mit 20,63 m.