По настоянию отца работал на сталелитейном заводе, в шахте, в 1923 поступил в Высшую техническую школу в Берлине, где встретился с Джорджем Гросом и Джоном Хартфилдом. В 1925 по совету Гроса бросил Школу и направился в Париж, познакомился там с Полем Элюаром. По возвращении открыл собственное рекламное агентство, выступал как художник книги, иллюстрировал в 1925 гротескно-пародийный роман Миноны (псевдоним немецкого писателя-экспрессиониста Саломона Фридлендера, 1871—1946) «Железнодорожное счастье, или Анти-Фрейд». Путешествовал по Италии и Тунису.
В 1930-е гг. Беллмер, с помощью кукольного мастера, художницы по костюмам Лотте Притцель, начал работать над эротизированным образом деформированной куклы, противопоставляя свой замысел официальному культу «арийского» здоровья и эстетике «классического» тела в гитлеровской Германии. В обращении к этой теме и её дальнейшей трактовке на Беллмера повлияла автобиографическая книга Оскара Кокошки «Фетиш» (1925), а позднее — труд австрийского психиатра Пауля Шильдера «Образ и облик человеческого тела» (1935) и книга французского психиатра Жана Лермитта «Образ нашего тела» (1939).
В 1934 18 фотографий кукол, вызвавших восхищение Андре Бретона, были опубликованы в парижском сюрреалистском журнале «Минотавр». В том же году серия «Die Puppe» («Кукла») была отпечатана крошечным тиражом в частном издательстве г. Карлсруэ без имени автора, который, тем не менее, был причислен после этого нацистской пропагандой к дегенеративному искусству (в 1936 книга была переиздана в Париже, фотографии фигурировали на выставках сюрреалистов в Париже и Нью-Йорке в 1935—1936). В 1938 Беллмер эмигрировал во Францию. Летом 1939 как подданный Германии был заключен французскими властями в лагерь «Tuilerie des Milles», где, среди многих, находились Леон Фейхтвангер, Макс Эрнст, художники Фердинанд Шпрингер, Вольс и др. С 1941 по 1944 жил на юге Франции (Кастр, Тулуза), затем вернулся в Париж. В 1953 познакомился в Берлине с художницей и писательницей Уникой Цюрн, с 1954 Цюрн стала его парижской подругой, моделью («Уника на ниточке», 1959, и др.), соавтором в изобразительном и словесном искусстве (они писали экспериментальные стихи-гетерограммы). В 1970 пережил тяжелый инсульт, потерял способность передвигаться. Страдавшая тяжелой шизофренией, Цюрн по выходе из психиатрической лечебницы в 1970 покончила с собой.
Беллмер иллюстрировал книги Сада, Лотреамона, Арагона, Жоэ Буске, Рене Кревеля, Жоржа Батая, Уники Цюрн, «Историю О» Полины Реаж. В 1959 и 1964 его творчество было представлено на международных выставках documenta в Касселе.
«Фильм о Хансе Беллмере» (1972) сняла французский кинорежиссёр Катрин Бине (в заглавной роли — Майкл Лонсдейл).