В 10 лет поступил в Морской кадетский корпус в Кронштадте.
В 1795 году, через шесть лет после поступления в Морской корпус, Беллинсгаузен получил свой первый флотский чин — он был произведен в гардемарины. На следующий год он совершил плавание к берегам Англии. В 1797 году Беллинсгаузен был произведен в мичманы (первый офицерский чин на флоте) и получил назначение в Ревельскую эскадру. На судах эскадры он плавал до 1803 года.
В 1803 году стали подбирать экипажи для кораблей Ивана Крузенштерна, готовившихся выйти в первую российскую кругосветку. Главный директор штурманского балтийских флотов училища вице-адмирал Пётр Иванович Ханыков, под командованием которого Беллинсгаузен участвовал в нескольких походах, рекомендовал Фаддея Фаддеевича к назначению на корабль «Надежда».
В 1803—1806 Беллинсгаузен участвовал в первом кругосветном плавании русских судов на шлюпе «Надежда» под командой Ивана Крузенштерна.
С 1812 по 1816 командовал фрегатом «Минерва», а с 1817 по 1819 годы — фрегатом «Флора».
В 1819—1821 был начальником кругосветной антарктической экспедиции, отправленной в южнополярные моря. Она состояла из шлюпов «Восток» и «Мирный», последним командовал Михаил Лазарев.
Выйдя 4 июня 1819 из Кронштадта, экспедиция прибыла 2 ноября в Рио-де-Жанейро. Оттуда Беллинсгаузен сперва направился прямо на юг и, обогнув юго-западный берег острова Новая Георгия, открытого Куком, около 56° ю. ш. открыл 3 острова маркиза де Траверсе, осмотрел южные Сандвичевы острова, пошёл к востоку по 59° ю. ш. и два раза отправлялся далее на юг, насколько позволяли льды, достигнув 69° ю. ш. 16 (28 января) 1820 экспедиция открыла Антарктиду; приблизившись к ней в точке 69° 21' 28" ю. ш. и 2° 14' 50" з. д. (район современного шельфового ледника), 21 января (2 февраля) участники вторично видели берег, 5 и 6 (17 и 18) февраля экспедиция подошла почти к берегу.
Затем в феврале и марте 1820 шлюпы разделились и пошли в Австралию (порт Джексон, ныне Сидней) по пространству Индийского и Южного океанов (55° шир. и 9° долг.), ещё никем до того не посещённым. Из Австралии экспедиция отправилась в Тихий океан, открыла несколько островов и атоллов (Беллинсгаузена, Восток, Симонова, Михайлова, Суворова, Россиян и проч.), посетила другие (Остров Великого Князя Александра), вернувшись в Порт-Джексон (Сидней).
В ноябре экспедиция опять отправилась в южнополярные моря, посетив остров Маккуори под 54° ю. ш., к югу от Новой Зеландии. От него шлюпы отправились прямо на юг, затем к востоку и 3 раза пересекали Полярный круг. 10 января 1821 под 70° ю. ш. и 75° з. д. Беллинсгаузен встретил сплошной лёд и должен был пойти на север, затем открыл между 68° и 69° ю. ш. о. Петра I и берег Александра I, затем пришёл к островам Новой Шотландии, обогнул их и открыл многие вновь. 24 июля (5 августа) 1821 после 751-дневного похода экспедиция вернулась в Кронштадт.
Поход экспедиции Беллинсгаузена по справедливости считается одним из самых важных и трудных, когда-либо совершенных. Знаменитый Кук в 70-х годах XVIII века первый достиг южнополярных морей и, встретив в нескольких местах сплошной лёд, объявил, что далее его невозможно проникнуть на юг. Ему поверили, и 45 лет не было южнополярных экспедиций.
Беллинсгаузен доказал неверность этого мнения и сделал чрезвычайно много для исследования южнополярных стран посреди постоянных трудов и опасностей, на двух небольших парусных судах, не приспособленных для плавания во льдах.
Беллинсгаузен попытался выяснить вопрос о возможности прохода в р.Амур морских судов. Попытка оказалась неудачной. Ему не удалось найти фарватер в Амурском лимане. Также ему не удалось из-за погодных условий развеять заблуждения Лаперуза о том, что Сахалин является полуостровом.
По возвращении из плавания Беллинсгаузен, уже контр-адмиралом, участвовал в Русско-турецкой войне 1828—1829. 6 декабря 1830 года произведен в чин вице-адмирала и назначен начальником 2-й дивизии Балтийского флота, в 1839 сделан военным губернатором Кронштадта и на этом посту получил чин адмирала и орден Владимира I ст. Умер там же в возрасте 73 лет.
Усадьба Беллинсгаузена находится в посёлке Лопухинка.