Proces beatyfikacyjny i kanonizacyjny Jeszcze za życia mówiono o nim jak o świętym. 2 lipca 1944 wyrażono zgodę na przeprowadzenie procesu beatyfikacyjnego. Pierwsza sesja tego procesu odbyła się w 1952 w rezydencji arcybiskupiej w Krakowie. Praca tego trybunału trwała 9 lat. W 1962 przesłano akta procesu do Kongregacji Świętych Obrzędów w Rzymie. 17 grudnia 1997 Jan Paweł II podpisał dekret o heroiczności cnót. 26 czerwca 2001 beatyfikowany przez papieża Jana Pawła II podczas jego wizyty we Lwowie.
20 grudnia 2004 papież Jan Paweł II podpisał dekret uznający cud za wstawiennictwem bł. Józefa Bilczewskiego, co otworzyło drogę do ogłoszenia jego świętym. Kanonizacja Józefa Bilczewskiego odbyła się 23 października 2005 w Rzymie przez papieża Benedykta XVI.
Wspomnienie liturgiczne w Kościele obchodzone jest w dzienną pamiątkę śmierci (20 marca). Po kanonizacji Kościół w Polsce i na Ukrainie wspomina świętego 23 października, w rocznicę kanonizacji.