Billings erwarb 1857 an der Miami University einen ersten Studienabschluss und 1860 am Medical College of Ohio einen M.D. als Abschluss des Medizinstudiums. Er arbeitete zunächst als Prosektor "(demonstrator)" in der Anatomie. Seit 1862 war er Militärchirurg in der United States Army. Er machte sich um den Rückzug der Verwundeten nach der verlustreichen Schlacht bei Chancellorsville verdient und diente unter gefährlichsten Bedingungen während der Schlacht von Gettysburg. 1864 übernahm er die Leitung des "Invalid Reserve Corps" und wurde in der Folge mit einer Vielzahl von unterschiedlichsten Aufträgen betraut, darunter die Sammlung und Aufarbeitung der medizinisch-chirurgischen Berichte des Sezessionskriegs. Billings stieg bis 1890 zum Colonel und stellvertretenden Surgeon General of the United States Army auf. Er zeigte eine besondere Begabung für die Planung und Errichtung von Krankenhausbauten. So wurde sein wegweisender Entwurf für das Johns Hopkins Hospital angenommen. Außerdem entwarf er das "Army Medical Museum" (später National Museum of Health and Medicine) und die "Library of the Surgeon General’s Office", deren gemeinsame Leitung er 1883 übernahm, sowie später das Brigham Hospital in Boston. Bereits in den Jahren vor 1883 hatte er sich um die "Library of the Surgeon General’s Office" verdient gemacht, für die er die verfügbare medizinische Literatur seiner Zeit sammelte, systematisch erfasste, katalogisierte und klassifizierte und so verfügbar machte. 1894 erhielt er eine Professur für Hygiene an der "Army Medical School" in Washington. Billings war an Planung und statistischer Auswertung der US-amerikanischen Volkszählungen von 1880, 1890 und 1900 beteiligt. Gemeinsam mit Herman Hollerith entwickelt er die Lochkarte und sorgte er für ihre Einführung bei den Volkszählungen.