В мае 1928 года назначен начальником Колымской геологоразведочной экспедиции, участники которой 4 июля 1928 года высадились в поселке Ола
Лауреата Государственной премии, доктор наук, член-корреспондент Академии наук СССР, профессор В мае 1928 года назначен начальником Колымской геологоразведочной экспедиции, участники которой 4 июля 1928 года высадились в поселке Ола, откуда добрались до реки Бохапчи и сплавились до Среднекана. Летом 1929 года было обнаружено золото на Утинке и ключе Юбилейном. На основании изучения большого района в верховьях Колымы Билибин делает вывод о большой протяженности золотоносной полосы. Применив геолого-статистический метод, он посчитал, что Колыма может давать в год до ста тонн золота вместе с рудным. По его предложению были организованы геологические экспедиции по разведке богатств колымских недр, затем создана Колымская база Главного геологоразведочного управления, а в ноябре 1931 года -Государственный трест по дорожному и промышленному строительству в бассейне Верхней Колымы - Дальстрой. До 1934 года руководил геологическими работами на Колыме, воспитал талантливую школу колымских геологов, которые открыли богатейшие месторождения золота, подтвердив блестящий «билибинский прогноз». В июле 1934 года уехал с Колымы, занялся научной деятельностью. Им было написано более 60 научных трудов. Имя Билибина увековечено в названии улиц в Магадане и Сусумане, его имя носят район и поселок на Чукотке; на одном из домов в Магадане установлена мемориальная доска.
