Neuillyben született művészcsaládban: édesapja szicíliai származású szobrászművész, édesanyja festő volt. Az ifjú Belmondo a művészetek helyett inkább a sporthoz vonzódott: focizott, kerékpározott és bokszolt (erre utal egyébként jellegzetes orrformája is). Egy súlyos betegségből való lábadozás során döntött a színészet mellett, s háromszori próbálkozás után fel is vették a párizsi színművészeti főiskolára. Itt hamar megkedvelték a tehetséges, örökmozgó fiatalembert, csak a fizimiskájával nem voltak megelégedve, óva intették, hogy ezzel az arccal a nők közelébe menjen.
A főiskola után színpadon szerepelt, s játékát a kritika hol dicsérte könnyedségéért, természetességért, hol szidta vaskosságáért, felháborító bolondozásaiért. Filmes pályafutását 1957-ben kezdte, az első jelentősebb szerepét Marc Allegret Légy szép és tartsd a szád! című filmjében kapta, amelyben együtt játszott Alain Delonnal.
Filmes karrierjének kezdete a francia új hullám kibontakozásával esett egybe, hiszen a mozgalom egyik mérföldkövének számító, Jean-Luc Godard rendezte Kifulladásig című film főszerepében aratta első nagy sikerét. Belmondo azonban egy idő után hátat fordított az új hullámnak, Olaszországba ment, ahol Sophia Loren oldalán játszott az Egy asszony meg a lánya című, Vittorio de Sica rendezte filmben.
Hazatérése után ugyan még forgatott Godard-ral (A bolond Pierrot) és Louis Malle-lal (A tolvaj), de a hatvanas évek második felétől egyre több közönségfilmben szerepelt. Fizikai alkatát, sportolói múltját, s nem utolsósorban sokoldalú tehetségét kamatoztatta ezekben az akciódús, többnyire humoros filmekben, amelyekben a legveszélyesebb mutatványokat is kaszkadőr nélkül hajtotta végre. (Igaz, a Montreali bankrablás című filmben olyan súlyosan megsérült, hogy rohammentővel kellett kórházba vinni.)
Felsorolni is nehéz filmjeit, melyek révén Belmondo a franciák egyik legnépszerűbb színésze lett: Cartouche, Borsalino (ismét Alain Delonnal), A profi, A betörés, A riói kaland, A javíthatatlan, Ászok ásza, Stavisky, Désiré, Szabadlábon Velencében, Magányos zsaru stb. A filmezés mellett a régi "szerelemhez", a színpadhoz sem lett hűtlen: 1987-ben a Kean, a színész, 1990-ben pedig a Cyrano de Bergerac címszerepében aratott hatalmas sikert. 1991-ben megvásárolta a Théatre des Variétés színházat, amelyben egykor maga is szerepelt.
1995-ben az akció- és kalandfilmek után ismét egy komolyabb műben, a Claude Lelouch rendezte A nyomorultak, az Hugo-regény modern, antifasiszta históriává variált adaptációjában csillantotta meg sokszínű tehetségét. S bár többször kifejtette, hogy nem akar a francia film repkedő nagypapája lenni, 1998-ban ismét Alain Delonnal tűnt fel a Két apának mennyi a fele? című akciófilmben, amelynek vérszegény sztoriját a két nagy "öreg" könnyed és önfeledt játéka avatta élvezetes mozivá.
Magánélete gyakorta került az érdeklődés homlokterébe. Egykori tanára súlyosan tévedett: a vonzóan csúnya arcú színész percek alatt meghódította a női szíveket, 1995-ben az Empire magazin minden idők 100 legszexisebb sztárja közé választotta. Kétszer nősült, négy gyermeke született, a legkisebb 2003-ban.
A sportos sztárt a betegségek sem kímélték: 1999 decemberében szívpanaszokkal került kórházba, 2001 augusztusában pedig szélütés érte, jobb oldalára félig megbénult és beszédkészségét is elvesztette. Gyógyulása után sem pihen a babérjain, legutóbb egy 1951-es De Sica-film, az Umberto D. újrafeldolgozásában vállalt szerepet.
