Обеспокоившись «натиском» Демидовых на Чусовую, в 1734 году на землях, которые богатый башкир Билимбай считал своими, Строгановы построили завод — самый верхний из своих заводов на Чусовой. Маленькая речка Билимбаиха была перегорожена плотиной, и образовался пруд (плотина и пруд сохранились до наших дней). В устье речки была оборудована пристань.
Завод был только чугунолитейным, поэтому «в связку» с ним Строгановы вскоре построили на Каме заводы Добрянку и Очёр, куда продукция Билимбая доставлялась барками. В 1761 году завод обзавёлся второй доменной печью. Поблизости от завода действовала и камнерезная фабрика. На золотых россыпях по речке Билимбаихе работали прииски. В жизни Билимбая были два звёздных часа. Первый — в 1834 году, когда посёлок посетил цесаревич, будущий император Александр II, совершавший ознакомительное путешествие по Уралу. В середине XIX века Билимбаевский завод по производительности занимал на Урале пятое место.
Второй звёздный час грянул в 1899 году, когда Билимбай посетили Д. И. Менделеев и участники его экспедиции по уральским горным заводам. Менделеев писал о Билимбае:
В начале XX века заводской посёлок насчитывал 4,5 тысячи жителей. Обзор «Россия» (1914) характеризовал завод исключительно лестно: «
В 20-х годах XX века завод был реконструирован, на нём было налажено производство труб. Во время Великой Отечественной войны (осенью 1941 года) на базе Билимбаевского завода и эвакуированных предприятий был организован небольшой авиастроительный завод. Он построил несколько ракетных самолётов БИ-2 — первых в мире. На плотине была смонтирована натурная установка для испытания двигателей. Первый старт самолёта-ракеты состоялся 15 мая 1942 года на аэродроме Кольцово близ Свердловска. После войны авиастроительный завод был перенесён в более удобное место. Ничто не вечно, и к 70-м годам XX века производство труб на Билимбаевском заводе устарело так, что не было смысла его модернизировать. В 1975 году завод был закрыт.
Самое интересное здание посёлка — полуразрушенный Свято-Троицкий храм. Он был построен в первой трети XIX века, предположительно, по проекту «строгановского» зодчего А. Воронихина. Три придела храма — Свято-Троицкий, Богоявленский и Казанский — расписывали ученики К. Брюллова. Сейчас храм лишён колокольни и используется как клуб. В 1888 году посёлок украсили сосновой рощей, которая получила мрачное название Могильщина; ныне роща объявлена памятником природы.