Родился в 1883 году в Москве, в семье священника. Окончил духовную семинарию, работал певчим, суфлёром в театре, репетитором. Окончил медицинский факультет Юрьевского университета, бо?льшую часть жизни работал врачом, совмещая это занятие с литературной деятельностью. Писал очерки, рассказы, после Октябрьской революции сотрудничал с РОСТА. Получил известность благодаря своим научно-фантастическим произведениям, написанным в 1920-1940-х годах.
Умер в Москве в 1953 году.
Печатался с 1905 года. Первая книга — «Семинарские очерки» (1906).
Один из немногочисленных советских писателей-фантастов 1930-1940-х годов. Автор нескольких книг «твёрдой» научной фантастики, в которых приключенческая фабула соседствует с обильно используемым научно-фантастическим материалом. Первая научно-фантастическая публикация — роман «Радиомозг» (1926; 1928), печатавшийся в «Рабочей газете», а затем вышедший отдельным изданием. В этом романе советские люди мешают замыслу западных учёных-маньяков, мечтающих получить власть над миром с помощью изобретённого ими устройства — искусственного «мозга» — способного диктовать людям чужую волю.
В романе «Истребитель 2Z» (первоначально вышел в 1928 году под названием «Истребитель 17Y», в 1939 году был кардинально переработан) зловещему изобретателю Урландо, очередному претенденту на мировое господство, снова противопоставлены советские ученые, использующие аналогичное открытие в мирных целях. Обсуждая роман, критика указывала на литературную зависимость Беляева от фантастических романов А. Н. Толстого.
В появившемся в 1945 году романе «Приключения Сэмуэля Пингля» рассказывается об учёном, научившемся искусственно перестраивать вирусы. В 1947 году вышел последний роман писателя — «Властелин молний», герои которого решают проблему извлечения из земной атмосферы атмосферного электричества и передачи его на большие расстояния.
Роман «Приключения Сэмуэля Пингля» (по мнению некоторых критиков — лучшее произведение писателя) был переведён на польский, чешский, словацкий, болгарский и хорватский языки.
Работал и в других жанрах. В 1926 году издал книгу рассказов «Пожар» и повесть «Как Иван Иванович от большевиков бегал». Известны также его документальные «Записки советского врача» (1927). В соавторстве с популярным советским писателем Борисом Пильняком написал документальную книгу о бойнях — «Мясо» (1936), посвящённый московскому мясокомбинату имени Микояна.