Родился 4 марта (16 н.с.) в Смоленске в семье священника. С детства много читал, увлекался приключенческой литературой, особенно Жюлем Верном. Впоследствии летал на аэропланах одной из первых конструкций, сам мастерил планеры. В 1901 окончил духовную семинарию, но священником не стал, напротив, вышел оттуда убежденным атеистом. Любил живопись, музыку, театр, играл в любительских спектаклях, занимался фотографией, изучал и технику.
Поступил в юридический лицей в Ярославле и одновременно учился в консерватории по классу скрипки. Чтобы заработать деньги на учебу, играл в цирковом оркестре, рисовал театральные декорации, занимался журналистикой. В 1906, окончив лицей, вернулся в Смоленск, работал присяжным поверенным. Выступал в качестве музыкального критика, театрального рецензента в газете «Смоленский вестник».
Он не переставал мечтать о дальних странах и, накопив деньги, в 1913 путешествует по Италии, Франции, Швейцарии. Впечатления от этой поездки он сохранил на всю жизнь. Вернувшись в Смоленск, работал в «Смоленском вестнике», через год стал редактором этого издания. Тяжелая болезнь — костный туберкулез — на шесть лет, три из которых он был в гипсе, приковала его к постели. Не поддаваясь отчаянию, он занимается самообразованием: изучает иностранные языки, медицину, биологию, историю, технику, много читает. Победив болезнь, в 1922 возвращается к полноценной жизни, служит инспектором по делам несовершеннолетних. По совету врачей живет в Ялте, работает воспитателем в детском доме. В 1923 переезжает в Москву, начинает серьезную литературную деятельность. Печатает научно-фантастические рассказы, повести в журналах «Вокруг света», «Знание-сила», «Всемирный следопыт», заслужив титул «советского Жюля Верна». В 1925 публикует повесть «Голова профессора Доуэля», которую сам Беляев называл историей автобиографической: хотел рассказать, «что может испытать голова без тела».
В 1920-е вышли такие известные произведения, как «Остров погибших кораблей», «Человек-амфибия», «Над бездной», «Борьба в эфире». Пишет очерки о великих русских ученых — Ломоносове, Менделееве, Павлове, Циолковском.
В 1931 переезжает в Ленинград, продолжая много работать. Особенно интересовался проблемами освоения космоса и океанских глубин. В 1934, прочитав роман Беляева «Воздушный корабль», Циолковский написал: «... остроумно написан и достаточно научен для фантазии. Позволю себе изъявить удовольствие т. Беляеву».
В 1933 выходит книга «Прыжок в ничто», 1935 — «Вторая Луна». В 1930-е были написаны «Звезда КЭЦ», «Чудесное око», «Под небом Арктики». Последние годы жизни провел под Ленинградом, в г. Пушкине. Войну встретил в больнице.
6 января 1942 Беляев умер от голода в оккупированном Пушкине.

Том 1.
1. Остров погибших кораблей
2. Властелин мира
3. Последний человек из Атлантиды
4. Человек - амфибия
Том 2.
1. Борьба в эфире
2. Вечный хлеб.
3. Человек, потерявший лицо.
4. Продавец воздуха.
5. Золотая гора.
6. Подводные земледельцы.
Том 3.
1. Прыжок в ничто.
2. Воздушный корабль
3. Земля горит.
4. Когда погаснет свет.
Том 4.
1. Чудесное око.
2. Звезда КЭЦ.
3. Голова профессора Доуэля.
4. Небесный гость.
Том 5.
1. Лаборатория Дубльвэ.
2. Под небом Арктики.
3. Замок ведьм.
4. Человек, нашедший свое лицо.
5. Ариэль.
Том 6.
1. Голова профессора Доуэля.
2. Белый дикарь.
3. Идеофон
4. Охота на большую Медведицу.
5. Мертвая голова.
6. Сезам, откройся!!!
7. Держи на запад.
8. Инстинкт предков.
9. Мертвая зона.
10. В трубе.
11. Легко ли быть раком.
12. Отворотное средство.
13. Светопредставление.
14. Нетленный мир.
15. Зеленая симфония.
16. Город победителя.
17. Заочный инженер.
18. На воздушных столбах.
19. Воздушный змей.
20. Сильнее бога.
21. Чертово болото.
22. Рекордный полет.
23. Встреча Нового 1954 года.
24. Необычайные происшествия.
25. Пропавший остров.
26. Слепой полет.
27. Мистер смех.
28. Невидимый свет.
29. Рогатый мамонт.
30. Анатомический жених.
Том 7.
1. Изобретения профессора Вагнера. Фантастические повести и рассказы.
2. Верхом на ветре. Рассказы.
3. Аргонавты Вселенной. Избранные статьи.