A. Bīlenšteins uzskatāms par pirmo nozīmīgāko latviešu valodas, etnogrāfijas, folkloras (tostarp tautasdziesmu) un senvēstures pētnieku. Viņu var uzskatīt arī par vienu no pirmajiem latviešu identitātes popularizētājiem pasaulē. A. Bīlenšteinam ir liela nozīme un ietekme uz 19. gs. nogales sabiedrisko dzīvi, tostarp attiecībām starp latviešiem un vācbaltiešiem. A. Bīlenšteins bija personība ar ievērojamām darbaspējām, kā rezultātā veikti daudzi atklājumi un tapušas daudzas publikācijas par latviešu senvēsturi, folkloru, valodu utt.

A. Bīlenšteins dzimis mācītāja Johana Gotfrīda Bīlenšteina (Johann Andreas Gottfried Bielenstein) un no senas Livonijas laika dzimtas nākušās Emīlijas (Emilie), dzimušas fon Klebekas (von Klebeck), ģimenē. A. Bīnešteins uzauga tēva vadītajā Ošu pastorātā pie Jaunauces. Turpat ieguva arī sākumizglītību, turpmāk mācījās internāta tipa ģimnāzijā Šūlfortā (Landesschule Pforta). Tipiski daudziem Baltijas mācītājiem, studēja teoloģiju Frīdriha Universitātē Hallē (Vereinigte Friedrichs-Universität Halle-Wittenberg). 1846. gadā pārgāja studēt Tērbatas Universitātē (tagad Tartu Universitāte, Tartu Ülikool), kur 1850. gadā ieguva doktora grādu teoloģijā. Jau lielā vecumā 1902. gadā kļuva par Tērbatas Universitātes Kurzemes izcelsmes studentu korporācijas “Curonia” goda filistru.

A. Bīlenšteins 1854. gadā apprecējās ar bruņniecības kārtā salīdzinoši nesen ieceltas Kurzemes dzimtas atvasi Ernestīni Luīzi Hermīni Ernu fon Bordeliusu (Ernestine (Erna) Louise Hermine Bielenstein von Bordelius). Abu laulībā dzima trīs meitas un seši dēli. Trīs no dēliem kļuva par mācītājiem un turpināja iet tēva pēdās, kalpojot par mācītājiem Baltijā.

1852. gadā pēc tēva nāves A. Bīlenšteins stājās viņa vietā un kļuva par Jaunauces draudzes mācītāju. Jau jaunībā A. Bīlenšteins aizrāvās ar novadpētniecību, viņu interesēja latviešu vēsture, kultūra un valoda, kurā viņš pats runāja bez akcenta. Līdzīgi kā citiem vācbaltiešu mācītājiem darbs draudzē nodrošināja ciešu saikni ar latviešiem. Mācītāja amatu viņš apvienoja ar aktīvu dalību “Latviešu literārajā biedrībā”, sauktā arī “Latviešu draugu biedrība” (Lettisch-literärische Gesellschaft). Šī 1824. gadā vācbaltiešu mācītāju izveidotā biedrība bija pirmā, kas nodarbojās ar latviešu valodas, kultūras, etnogrāfijas un senvēstures pētniecību, izcēla un popularizēja latviešu identitātes svarīgas iezīmes.

Plašu atzinību izglītotajās Baltijas aprindās A. Bīlenšteins iemantoja ar 1863.–1864. gadā izdotajām grāmatām – “Latviešu valodas rokasgrāmata” (Handbuch der lettischen Sprache) un “Latviešu valoda, tās izloksnes un formas” (Die lettische Sprache, nach ihren Lauten und Formen) –, kas bija pirmie modernie sistematizētie pētījumi, veltīti latviešu valodas gramatikai. Panākumi latviešu identitātes izpētē nodrošināja A. Bīlenšteinam līderpozīciju “Latviešu literārajā biedrībā”. 1864.–1895. gadā viņš bija biedrības vadītājs un nozīmīgākais dzinējspēks. Līdztekus darbam šajā biedrībā A. Bīlenšteins līdzdarbojās faktiski visās Baltijas reģiona (arī lietuviešu) zinātniskās izpētes biedrībās, tostarp nozīmīgākajā Baltijas pagātnes izpētes organizācijā “Krievijas Baltijas provinču vēstures un senatnes pētītāju biedrība” (Gesellschaft für Geschichte und Altertumskunde der Ostseeprovinzen Russlands).

No 1867. gada A. Bīlenšteins bija mācītājs Dobelē un šo darbu apvienoja ar 1867.–1903. gadā Jelgavā izdotā latviešu laikraksta “Latviešu Avīzes” redaktora un izdevēja amatu. Viņa vadības laikā šī visilgāk izdotā latviešu avīze ir uzlūkojama kā ietekmīgākais vācbaltiešu garīdzniecības izdevums latviešu valodā. Laikraksta saturu tobrīd ietekmēja Latvijas teritorijā pilnīgi jauna sociālpolitiskā parādība – vācbaltiešu sabiedrības virsslāņa (īpaši – teologu) un jaunlatviešu, vēlāk arī kreisi orientētās Jaunās strāvas polemika par sociālo un nacionālo jautājumu Baltijā. Vācu teologi centās iedzīvināt ar latviešu nacionālās pašnoteikšanās ideju konfliktējošu konsolidētu baltiešu sabiedrības modeli, kurā apvienotos visi Baltijas sabiedrības slāņi un etniskās grupas.

1892. gadā A. Bīlenšteins klajā laida grāmatu vācu valodā “Latviešu tautas robežas” (Die Grenzen des lettischen Volkstammes und der lettischen Sprache in der Gegenwart und im 13. Jahrhundert), kurā skaidrota latviešu izcelsme un tās etnogrāfisko robežu attīstība no 13. gs. Darbam bija liela nozīme starptautiskā latviešu atpazīstamības veicināšanā, jo pirms tam šāda drukāta informācija tikpat kā nebija pieejama plašākai Eiropas publikai. 20. gs. sākumā A. Bīlenšteins strādāja pie autobiogrāfijas. Tās tekstu viņš diktēja meitai Martai, jo bija kļuvis neredzīgs. Autobiogrāfija, kurai bija dots nosaukums “Kāda laimīga dzīve” (Ein glückliches Leben), nāca klajā 1904. gadā.

Milzīgs trieciens A. Bīlenšteinam dzīves nogalē bija 1905. gada revolūcija. Revolucionāri izpostīja visu viņa mūža veikumu, kas glabājās Dobeles pastorātā, – nodedzināja savākto bibliotēku, etnogrāfisko materiālu kolekciju, citus pētnieciskos materiālus, korespondenci un pat baznīcgrāmatas utt. Tā iespaidā viņš distancējās no sabiedriskās dzīves un pārcēlās dzīvot uz dzimto Jelgavu. 1905. gada revolūcijas notikumu kritika un politiski tendētā retorika starp latviešiem un vācbaltiešiem, kurā iesaistījās arī Bīlenšteinu ģimene, bija iegansts, kādēļ A. Bīlenšteina dēlu Hansu (Ansi) Bīlenšteinu (Johannes Georg Wilhelm Bielenstein) sodīja ar nāves sodu Pētera Stučkas Padomju Latvijas režīms 1919. gada janvārī.

Jau pēc revolūcijas, A. Bīlenšteina nāves gadā (1907), Pēterburgas Zinātņu Akadēmijas (Российская академия наук) paspārnē tika izdots jau agrāk sagatavotais nozīmīgais pētījums “Latviešu koka celtnes un iedzīves priekšmeti” (Die Holzbauten und Holzgeräte der Letten), kurā aprakstīta līdz tam maz pētītā latviešu koka amatniecību un tās attīstība.

A. Bīlenšteina nozīme latviešu identitātes pētniecībā bija īpaši nozīmīga, tādēļ 1893. gadā Rīgas Latviešu biedrība viņu uzņēma kā goda biedru. Tomēr A. Bīlenšteina attiecības ar jaunlatviešiem veidojās saspīlētas. A. Bīlenšteins pieslējās idejai, kas vācbaltiešu aprindās bija ieņēmusi stabilu vietu, par vienotas baltiešu nācijas izveidi kopīgajā Baltijas zemē (mūsdienu Igaunijas un Latvijas teritorija), sauktā par Baltenlandi. Tādējādi A. Bīlenšteins bija opozīcijā latviešu politiskajam nacionālismam, kas viņa izpratnē sašķēla sabiedrību un atvieglināja Krievijas uzsākto nepieņemamo rusifikāciju Baltijā.

A. Bīlenšteins bija vairāku (iespējams, pat gandrīz visu) pētniecisku biedrību goda biedrs Baltijā, Lietuvas teritorijā un Prūsijā. Par pētniecības sasniegumiem 1883. gadā A. Bīlenšteins ieguva goda doktora grādu Kēnigsbergas Universitātē (Albertus-Universität Königsberg).

A. Bīlenšteina daudzajiem nopelniem pieskaitāma arī ceriņu šķirņu introducēšana Latvijas teritorijā, kas strauji kļuva par tipisku augu latviešu pagalmos. Viņa vadībā 19. gs. nogalē Dobeles mācītājmuižas dārzs (tagad Dobeles ceriņu dārzs) kļuva par nozīmīgāko vietu Baltijā, kur aizsākās ceriņu šķirņu stādīšana, kultivēšana un selekcionēšana.