Олександр Бєляєв народився в Смоленську, в родині православного священика. У сім'ї було ще двоє дітей: сестра Ніна померла в дитячому віці від саркоми; брат Василь, студент ветеринарного інституту, потонув, катаючись на човні.
Батько хотів бачити в сина продовжувача своєї справи і віддав його в 1895 році в духовну семінарію. У 1901 Олександр закінчив її, але священиком не став, навпаки, вийшов звідти переконаним атеїстом. Наперекір батькові він вступив в Демидівський юридичний ліцей у Ярославлі. Незабаром після смерті батька йому довелося підробляти: Олександр давав уроки, малював декорації для театру, грав на скрипці в оркестрі цирку.
Після закінчення (в 1906) Демидівського ліцею А. Бєляєв отримав посаду приватного повіреного в Смоленську і скоро придбав популярність хорошого юриста. У нього з'явилася постійна клієнтура. Зросли і матеріальні можливості: він зміг зняти і обставити гарну квартиру, придбати непогану колекцію картин, зібрати велику бібліотеку. Закінчивши будь-яку справу, він вирушав подорожувати за кордон: побував у Франції, Італії, відвідав Венецію.
У 1914 році Олександр Бєляєв залишив юриспруденцію заради літератури і театру.
У віці тридцяти п'яти років А. Бєляєв захворів туберкульозним плевритом. Лікування виявилося невдалим — розвинувся туберкульоз хребта, який ускладнився паралічем ніг. Важка хвороба на 6 років прикувала його до ліжка, 3 з яких він пролежав у гіпсі. Молода дружина його покинула, сказавши, що не для того вона виходила заміж, щоб доглядати за хворим чоловіком. У пошуках фахівців, які могли б йому допомогти, А. Бєляєв з матір'ю і старої нянею потрапив в Ялту. Там, в лікарні, він почав писати вірші. Чи не піддаючись розпачу, він займається самоосвітою: вивчає іноземні мови, медицину, біологію, історію, техніку, багато читає (Жюля Верна, Герберта Уеллса, Костянтина Ціолковського). Перемігши хвороба, в 1922 повертається до повноцінного життя, починає працювати. Спочатку А. Бєляєв став вихователем в дитячому будинку, потім його влаштували на посаду інспектора карного розшуку — він організував там фотолабораторію, пізніше довелося піти в бібліотеку. Життя в Ялті була дуже важкою, і А. Бєляєв за допомогою знайомих перебрався з родиною до Москви (1923), влаштувався на роботу юрисконсультом. Там почав серйозну літературну діяльність. Друкує науково-фантастичні розповіді, повісті в журналах "Навколо світу", "Знання-сила", "Всесвітній слідопит", заслуживши титул "радянського Жюля Верна". У 1925 публікує повість "Голова професора Доуеля", яку сам Бєляєв називав історією автобіографічній: хотів розповісти, "що може випробувати голова без тіла".
У Москві А. Бєляєв прожив до 1928 року; за цей час він написав "Острів загиблих кораблів", "Остання людина з Атлантиди", "Людина-амфібія", "Боротьба в ефірі", опублікована збірка оповідань. Писав автор не тільки під своїм ім'ям, а й під псевдонімами А. Ром і Арбел.
У 1928 році А. Бєляєв з родиною переїхав до Ленінграда, і з цього часу займався виключно літературою, професійно. Так з'явилися "Володар світу", "Підводні землероби", "Чудесний очей", розповіді із серії "Винаходи професора Вагнера". Друкувалися вони, в основному, в Московських видавництвах. Однак незабаром хвороба знову дала про себе знати, і довелося переїхати з дощового Ленінграда в сонячний Київ.
1930 рік виявився для письменника дуже важким: від менінгіту померла його шестирічна дочка, рахіт захворіла друга, а незабаром загострилася і його власна хвороба (спондиліт). У підсумку, в 1931 році сім'я повернулася в Ленінград.
У вересні 1931 році А. Бєляєв передає рукопис свого роману "Земля горить" до редакції ленінградського журналу "Вокруг света". У 1934 році зустрічається з Гербертом Уеллсом, який приїхав до Ленінграда. У 1935 році Бєляєв стає постійним співробітником журналу "Вокруг света". На початку 1938 року, після одинадцяти років інтенсивної співпраці, Бєляєв залишає журнал "Вокруг света". У 1938 році опублікував статтю "Попелюшка" про тяжке становище сучасної йому фантастики.
Незадовго до війни письменник переніс чергову операцію, тому на пропозицію евакуюватися, коли почалася війна, він відповів відмовою. Місто Пушкін (передмістя Ленінграда), де жив в останні роки А. Бєляєв з родиною, був окупований. У січні 1942 року письменник помер від голоду. Що залишилися в живих дружина і дочка письменника були депортовані німцями до Польщі.
Місце його поховання достовірно не відомо. А пам'ятна стела на Казанському кладовищі міста Пушкін встановлена лише на передбачуваної могили.