14 мая 2012 года подписал трёхлетний контракт с московским «Локомотивом» и возглавил «"железнодорожников"» после окончания Евро-2012. Сезон под управлением Билича «Локомотив» провёл крайне неудачно, заняв лишь 9-е место по итогам чемпионата, что стало худшим результатом клуба в истории чемпионатов России. Причиной плохого выступления команды под руководством Билича, по мнению Дениса Глушакова, было то, что хорвату не хватало характера, чтобы наладить дисциплину и сплотить команду в нужный момент, как это удавалось в своё время Юрию Семину. Игрок назвал Билича самым слабым специалистом, с кем ему приходилось работать. 17 июня 2013 года уволен с поста главного тренера «Локомотива».