Neuillyben született művészcsaládban: édesapja szicíliai származású szobrászművész, édesanyja festő volt. Az ifjú Belmondo a művészetek helyett inkább a sportokhoz vonzódott: focizott, kerékpározott és bokszolt (erre utal jellegzetes orrformája is). Egy súlyos betegségből való lábadozás során döntött a színészet mellett, és harmadszorra fel is vették a párizsi színművészeti főiskolára, ahol megkedvelték a tehetséges, örökmozgó fiatalembert. Egyedül a fizimiskájával nem voltak megelégedve, óva intették, hogy ezzel az arccal a nők közelébe menjen.

A főiskola után először színpadon szerepelt, s játékát a kritika hol dicsérte könnyedségéért, természetességért, hol szidta vaskosságáért, felháborító bolondozásaiért.

Filmes pályafutása 1957-ben kezdődött, első jelentősebb szerepét Marc Allegret Légy szép és tartsd a szád című filmjében kapta, amelyben együtt játszott Alain Delonnal. Filmes pályafutásának kezdete a francia új hullám kibontakozásával esett egybe, hiszen a mozgalom egyik mérföldkövének számító, Jean-Luc Godard által rendezett Kifulladásig című film főszerepében aratta első nagy sikerét 1960-ban. 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-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. Testfelépítését, sportolói múltját, nem utolsósorban sokoldalú tehetségét kamatoztatta ezekben az akciókban bővelkedő, többnyire humoros filmekben, amelyekben a legveszélyesebb mutatványokat is kaszkadőr nélkül hajtotta végre. Mindez kockázatokkal járt, a Montreali bankrablás című filmben olyan súlyosan megsérült, hogy rohammentővel kellett kórházba szállítani.

Felsorolni is nehéz filmjeit, amelyek révén 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. 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, a színháznak 2004-ig volt tulajdonosa.

Az akció- és kalandfilmek után 1995-ben ismét egy komolyabb műben, a Claude Lelouch rendezte A nyomorultak, az Hugo-regény modern, antifasiszta históriává alakított feldolgozásában csillantotta meg sokszínű tehetségét. 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 meglehetősen vérszegény sztoriját a két nagy „öreg” könnyed és önfeledt játéka avatta élvezetes mozivá.

Magánélete gyakorta került az érdeklődés homlokterébe. Egykori tanára súlyosan tévedett: a jellegzetes 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. Legutóbbi élettársa, a nála negyvenkét évvel fiatalabb egykori modell, Barbara Gandolfi volt, akivel 2012-ben szakított.

A sportos sztárt idősebb korában nem kímélték a betegségek: 1999 decemberében szívpanaszokkal került kórházba, 2001-ben szélütés érte, 2006-ban combnyaktörést szenvedett.

Legutóbb 2008-ban tűnt fel a filmvásznon az Egy ember és kutyája című drámában, a mű nem aratott túl nagy sikert.

Művészetéért megkapta a Becsületrendet, 1989-ben a legjobb férfi színésznek járó César-díjat az Egy elkényeztetett gyermek utazása című filmben nyújtott alakításáért. 2011-ben a cannes-i filmfesztiválon életműdíjjal jutalmazták, 2016-ban a Velencei Nemzetközi Filmfesztivál Arany Oroszlán-életműdíját, 2018-ban a Lumiere Akadémia életműdíját vehette át.