В 1939г. окончил 1-й курс биологического факультета Государственного университета.

С 03 декабря 1939г. курсант Харьковского военного авиационного училища летнабов и штурманов.

23 января 1940г. принял военную присягу.

28 ноября 1940г., по окончанию училища, присвоено звание младший лейтенант. Назначен младшим летнабом (летчиком-наблюдателем) 134 скоростного бомбардировочного авиаполка. 

27 июля 1941г. при выполнении боевого задания погиб экипаж: летчик младший лейтенант Доронин Семен Иванович, стрелок-бомбардир младший лейтенант Бильченко Николай Сергеевич и воздушный стрелок-радист младший сержант Тесновец Иван Матвеевич. Экипаж был похоронен в д.Платично, Торопецкий р-н, Калининская обл.

Бильченко Николай Сергеевич перезахоронен на воинском захоронении в д.Носково, Великоукский р-н, Псковская обл.