Câu lạc bộ được thành lập vào năm 1923 và được đặt theo tên của một loại phân bón nông nghiệp, Synthonia là một sự kết hợp của "amoniac tổng hợp", một sản phẩm do ICI sản xuất, mà câu lạc bộ có liên kết.[2] Ban đầu đội chơi ở South Bank & District League, sau đó gia nhập Teesside League. Đội đã giành được Teesside League Cup mùa giải 1934-35, chức vô địch giải đấu mùa giải 1936-37 và League Cup lần thứ hai vào mùa giải 1938-39.[2]

Năm 1945 câu lạc bộ tham gia Northern League. Đội lọt vào vòng Một Cúp FA lần đầu tiên vào mùa giải 1948-49, thua Crewe Alexandra 5-0 tại Gresty Road.[3] Mùa giải tiếp theo họ kết thúc với tư cách á quân Northern League và lại lọt vào vòng Một Cúp FA, lần này là thất bại 3-0 trước Stockport County.[3] Sau khi kết thúc ở vị trí á quân một lần nữa mùa giải 1950-51, một mùa giải mà họ không để thủng lưới trong các trận đấu trên sân nhà,[2] mùa giải 1951-52 chứng kiến ​​họ giành được League Cup với chiến thắng 1-0 trước Tow Law Town trong trận đá lại,[3] kết thúc với vị trí á quân mùa thứ ba liên tiếp và lọt vào vòng Một Cúp FA lần thứ ba, thua Scunthorpe & Lindsay United 5-0.[3] Đội đã giành chức vô địch Northern League lần đầu tiên vào năm 1956-57, một mùa giải cũng chứng kiến ​​một suất dự vòng Một Cúp FA, dẫn đến thất bại 6-1 trước Carlisle United.[3] Trong mùa giải tiếp theo, đội lại lọt vào vòng đầu tiên, thua 5-2 trước Boston United.[3]

Mùa giải 1985-86 câu lạc bộ bị xuống hạng đến Division Two sau khi xếp thứ hai từ dưới lên của Division One. Tuy nhiên, đội đã trở lại Division One ngay lập tức bằng cách chiến thắng Division Two ở lần thử đầu tiên. Mùa giải 1987-88 chứng kiến ​​chức vô địch League Cup thứ hai với thất bại 2-1 trước Shildon trong trận chung kết,[2] cũng như một trận đấu khác ở vòng một Cúp FA - thất bại 4-2 trước Halifax Town trong một trận đấu trên sân Victoria Park của Hartlepool United. Đội tiếp tục giành được các danh hiệu Division One liên tiếp vào các năm 1988-89 và 1989-90;[3] Mùa giải 1989-90 cũng chứng kiến ​​chức vô địch League Cup thứ ba, đánh bại Whitby Town 5-2 trong trận chung kết,[2] cũng như lần thứ bảy góp mặt ở vòng đầu tiên FA Cup, lần này là thất bại 1-0 trước Lincoln City.[3]

Đội giành được danh hiệu Northern League thứ 4 vào mùa giải 1995-96.[3] Mùa giải 2006-07 Billingham lọt vào bán kết FA Vase; sau khi đánh bại AFC Totton 2-1 trên sân khách, đội đã thua trận lượt đi trên sân nhà với tỷ số 2-1, với chiến thắng ở loạt sút luân lưu 5-4.[3] Vào cuối mùa giải 2014-15 họ bị xuống hạng ở Division Two sau khi xếp ở khu vực xuống hạng của Division One.[3] Vị trí thứ ba chung cuộc mùa giải 2016-17 giúp họ thăng hạng trở lại Division One. Tuy nhiên, vào mùa giải 2017-18 câu lạc bộ xếp cuối Division One và bị xuống hạng trở lại Division Two.