Родился он 16 марта 1844 года в знатной семье, принадлежавшей к древнему дворянскому роду Бирилёвых, известному с XV века. Хотя их состояние не могло сравниться с богатством Юсуповых, оно позволяло им чувствовать себя выше многих других.
Образование он получил в Морском кадетском корпусе, а затем продолжил обучение в Николаевской морской академии.
1 августа 1859 года его зачислили юнкером в 1-й флотский экипаж. Благодаря связям старшего брата он отправился на Дальний Восток на клипере «Разбойник» под командованием капитан-лейтенанта Ратькова. Позже его перевели на фрегат «Светлана», которым командовал капитан 2-го ранга Бутаков. 1 марта 1862 года он получил звание гардемарина, а в 1864 году стал мичманом. Затем он служил вахтенным офицером на клипере «Наездник» под началом капитан-лейтенанта Желтова. В 1865 году он вернулся в Кронштадт, уже имея орден Святого Станислава 3-й степени. В 1868 году его произвели в лейтенанты, а в 1878 году — в капитан-лейтенанты.
В 1880 году он впервые возглавил корабль — броненосный фрегат «Адмирал Лазарев». Позже он пять лет командовал миноносцем «Взрыв», одним из первых русских минных кораблей. В 1885 году он стал капитаном 2-го ранга.
С 1886 по 1887 год он руководил минным крейсером «Лейтенант Ильин», а с 1888 года — клипером «Пластун». В 1889 году ему присвоили звание капитана 1-го ранга. Он также возглавлял минную команду при 8-м флотском экипаже и командовал крейсером «Минин» (1890—1892), совершив на нём плавания к берегам Центральной Америки и в Средиземное море. Позже он руководил эскадренным броненосцем «Сисой Великий» (1893), броненосцем береговой обороны «Адмирал Ушаков» и эскадренным броненосцем «Гангут» (1893—1894). В 1894 году он стал контр-адмиралом, а в 1901 году — вице-адмиралом.
Четыре года он возглавлял Учебно-артиллерийский отряд Балтийского флота, а в 1900—1901 годах командовал Отдельным отрядом судов в Средиземном море. В 1903 году он руководил Соединённым практическим отрядом обороны побережья Балтийского моря.
Он запомнил тот знаменательный день, когда Россия и Германия провели совместные учения. Торжества длились три дня, а ночью рейд в Ревеле превращался в сказочное зрелище. Императорские яхты были украшены огнями, а суда обеих стран сияли иллюминацией. Особенно выделялся крейсер «Минин», над которым горели вензели W и N, увенчанные коронами.
Императоры Вильгельм и Николай обменялись щедрыми подарками: первый подарил золотой письменный прибор, а второй — золотой боярский шлем, украшенный драгоценными камнями. Адмиралы также не остались без внимания, получив различные ордена.
26 июля немецкая эскадра отправилась в море под крики «ура» и прощальный салют. Яхта «Штандарт» сопровождала гостей. Когда немецкая яхта «Гогенцоллерн» приблизилась к острову Нарген, на её мачтах появился сигнал: «Адмирал Атлантического океана приветствует адмирала Тихого океана». На «Штандарте» сначала не поняли его смысла, но затем ответили: «Ясно вижу» и добавили: «Благодарю. Желаю счастливого плавания». Договорились. Недаром Павел I — прадед Николая II и Павел I — прапрадед Вильгельма II.
Это событие положило начало активизации на Дальнем Востоке. Кайзер получил согласие Николая на занятие китайского порта Циндао. Не прошло даром это событие и для него.
19 февраля 1904 года Бирилёв был назначен военным губернатором Кронштадта, а 10 мая — главным командиром флота и портов, начальником морской обороны Балтийского моря (в 1905 году переименован в командующего Балтийским флотом). На него была возложена задача по подготовке и снабжению эскадр адмиралов Рожественского и Небогатова. С этой задачей он справился блестяще, несмотря на критику.
При нём были достигнуты значительные успехи: снаряды стали легче, что повысило их начальную скорость и бронепробиваемость на проектных дистанциях до 20 кабельтов. Во время похода Второй Тихоокеанской эскадры была решена проблема с гипотетическим самовозгоранием снарядов на экваторе: влажность пироксилина увеличили с 12 до 30 процентов, что предотвратило инциденты.
Он также был председателем «Первого военного общества охоты», которое вскоре переименовали в «Императорское военное общество охоты». Он считал себя лучшим из российских адмиралов, и у него были основания так думать: его коллекция наград превосходила всех.
Он активно собирал ордена во время своих визитов в разные страны. В Италии он получил орден от короля Виктора Эммануила II, в Тунисе — звезду от бея, в Турции — орден «Меджидие» от султана. В Греции он присутствовал на свадьбе великого князя Георгия Михайловича и получил новую награду. В Болгарии, Сербии, Испании и Франции он также удостаивался орденов.