В 1708 году Петр I постановил, что необходимо построить новое военное укрепление. 29 февраля того же года был выпущен указ об укреплении южной части Кузнецкого уезда. По словам Петра, это было необходимо для сбора податей, а также защиты самого селения, так что крепость решили основать на двух реках: Бии и Катуни. Строение расположилось в месте их слияния, на правом берегу реки Бии. Заложенное укрепление получило название "Бикатунский острог", а датой его основания традиционно считают 18 июня 1709 года, согласно летописям поселения.

Бикатунский острог был создан для защиты торговых путей с Китаем и Монголией, а также близлежащих границ, однако они были не единственной угрозой на этой местности. Эти края населяли телеуты и кумадинцы, которые тоже могли совершать нападения. Такое расположение на двух реках близ переправы исключало возможность неожиданного прихода вражеских войск. Любые стычки можно было предвидеть заранее, подготовив орудия к бою. Военные возможности Бикатунского острога были ограничены всего лишь парой пушек, однако этого не хватало для полноценных побед. Например, в 1710 году, из острога дали пушечный залп, остановив захватчиков-джунгаров, но армия осадила укрепление и сожгла его.

Бикатунский острог восстановили лишь через 8 лет - в 1718 году, назвав его Бикатунской крепостью. Место его нахождение тоже было скорректировано: теперь его перенесли на 20 км выше по Бийскому течению. Из-за того, что место слияния с Катунью осталось позади, название крепости сменили, переименовав в Бийскую. Теперь она входила в серию укреплений, названную Бийско-Кузнечной линией.

Бийская крепость географически относилась к землям Тобольской губернии вплоть до 1779 года. После этого был выпущен указ, подписанный Екатериной II, в котором говорилось о ее переходе во владения Барнаульского уезда, прикрепленного к Колыванской области. Позже губерния получила название Колыванской, а поселение Бийск - звание уездного города в этой губернии с 1782 года. Спустя четыре года звание центра уезда получил город Барнаул в той же области. Произошла путаница в записях, из-за чего на сегодняшний день ведутся споры о том, какой же из этих городов на самом деле является древнейшим в Алтайском Крае.

Собственный городской магистрат Бийска был упразднен с 1 мая 1797 года, а город официально перешел под начало общего Кузнецкого магистрата (сейчас этот город носит название Новокузнецк). Затем в 1804 году образовалась Томская губерния, где был выделен Бийский уезд, который находился в Барнаульском округе. Благодаря этому, Бийск вновь получает звание города, а затем и собственный герб: щит разделен пополам, сверху - герб Томска, а снизу - горная шахта.

Статус города Бийском был еще раз потерян в 1822 году, однако в 1827 вновь возвращен. Крепость Бийска была переформирована, став в 1846 году промышленным и торговым центром города. Вместо военных укреплений был сделан упор на строительство промышленных предприятий и заводов, которые призваны были перерабатывать местное сырье. Кроме быстро развивающейся промышленности, город славился также своим финансовым развитием: в Бийске находилось большое сосредоточение банковских капиталов. Помимо местных банков, в городе до революции работали филиалы крупных банков, например, Петроградский и Русско-Азиатский банки. Иностранные инвесторы тоже с удовольствием вкладывали свои активы в развивающуюся промышленность города. В период с 1830 по 1917 годы Бийск был духовным центром Алтайской миссии. Именно там был осуществлен один из самых ранних научных переводов Библии на русский язык, его выполнил архимандрит Макарий.

После 1917 года Бийск перешел под власть советов, а красногвардейцы из этого города принимали участие в сражениях против белой армии. Однако, в 1918 году город был захвачен Временным Сибирским правительством, а после - непосредственно Колчаком. В Бийске была образована подпольная группа большевиков, которая вела работу сопротивления, но она была разбита в июне. В 1919 году вновь была возвращена советская власть.

Как и практически все города России, Бийск пострадал в военное время. Во время Великой Отечественной войны город потерял практически 15 тысяч своих жителей, не вернувшихся с фронта. Были эвакуированы крупные предприятия, а также разбиты госпитали, которые помогли спасти 200 тысяч раненых со всех частей фронта. Некоторые предприятия были восстановлены, однако несколько закрылись окончательно, что сильно повлияло на экономическую обстановку города.

В 1975 году постановлением Президиума Верховного Совета СССР Бийск был поделен на два района: Восточный и Приобский. Вновь объединили их лишь в 2002 году, упразднив это разделение, а годом позже включили в состав Бийска поселки Нагорный и Сорокино. Позже поселок городского типа Нагорный все же вышел из состава города Бийск, вернув свой статус сельского населенного пункта.