Он родился в Смоленске, в семье православного священника. В семье было ещё двое детей: сестра Нина умерла в детском возрасте от саркомы; брат Василий, студент ветеринарного института, утонул, катаясь на лодке.
Отец желал видеть в сыне продолжателя своего дела и отдал его в 1895 году в смоленскую духовную семинарию. В 1901 году Александр окончил её, но священником не стал, напротив, вышел оттуда убеждённым атеистом. Наперекор отцу он поступил в Демидовский юридический лицей в Ярославле[3]. Вскоре после смерти отца ему пришлось подрабатывать: Александр давал уроки, рисовал декорации для театра, играл на скрипке в оркестре цирка.
По окончании (в 1906 году) Демидовского лицея А. Беляев получил должность частного поверенного в Смоленске и скоро приобрёл известность хорошего юриста. У него появилась постоянная клиентура. Выросли и материальные возможности: он смог снять и обставить хорошую квартиру, приобрести неплохую коллекцию картин, собрать большую библиотеку. Закончив какое-либо дело, он отправлялся путешествовать за границу: побывал во Франции, Италии, посетил Венецию.
В 1914 году оставил юриспруденцию ради литературы и театра.
В возрасте тридцати пяти лет А. Беляев заболел туберкулёзным плевритом. Лечение оказалось неудачным — развился туберкулёз позвоночника, осложнившийся параличом ног. Тяжёлая болезнь на шесть лет приковала его к постели, три из которых он пролежал в гипсе. Молодая жена его покинула, сказав, что не для того она выходила замуж, чтобы ухаживать за больным мужем. В поисках специалистов, которые могли бы ему помочь, А. Беляев с матерью и старой няней попал в Ялту. Там, в больнице, он начал писать стихи. Не поддаваясь отчаянию, он занимается самообразованием: изучает иностранные языки, медицину, биологию, историю, технику, много читает (Жюля Верна, Герберта Уэллса, Константина Циолковского). Победив болезнь, в 1922 году он возвращается к полноценной жизни, начинает работать. Сначала А. Беляев стал воспитателем в детском доме, потом его устроили на должность инспектора уголовного розыска — он организовал там фотолабораторию, позже пришлось уйти в библиотеку. Жизнь в Ялте была очень тяжёлой, и А. Беляев с помощью знакомых перебрался с семьёй в Москву (1923), где он устроился на работу юрисконсультом. Там он начал серьёзную литературную деятельность. Печатает научно-фантастические рассказы, повести в журналах «Вокруг света», «Знание — сила», «Всемирный следопыт», заслужив титул «советского Жюля Верна». В 1925 году публикует повесть «Голова профессора Доуэля», которую сам Беляев называл историей автобиографической: хотел рассказать, «что может испытать голова без тела».
В Москве А. Беляев прожил до 1928 года; за это время им были написаны «Остров погибших кораблей», «Последний человек из Атлантиды», «Человек-амфибия», «Борьба в эфире», опубликован сборник рассказов. Писал автор не только под своим именем, но и под псевдонимами А. Ром и Арбел.
В 1928 году А. Беляев с семьёй переехал в Ленинград и с этих пор занимался исключительно литературой, профессионально. Так появились «Властелин мира», «Подводные земледельцы», «Чудесное око», рассказы из серии «Изобретения профессора Вагнера». Печатались они, в основном, в московских издательствах. Однако вскоре болезнь опять дала о себе знать, и пришлось переехать из дождливого Ленинграда в солнечный Киев.
1930 год оказался для писателя очень тяжёлым: от менингита умерла его шестилетняя дочь, рахитом заболела вторая, а вскоре обострилась и его собственная болезнь (спондилит). В итоге, в 1931 году семья вернулась в Ленинград.
В сентябре 1931 года А. Беляев передаёт рукопись своего романа «Земля горит» в редакцию ленинградского журнала «Вокруг света».
В 1932 году он живет в Мурманске (источник газета «Вечерний Мурманск» от 10.10.2014). В 1934 году он встречается с Гербертом Уэллсом, приехавшим в Ленинград. В 1935 году Беляев становится постоянным сотрудником журнала «Вокруг света». В начале 1938 года, после одиннадцати лет интенсивного сотрудничества, Беляев покидает журнал «Вокруг света». В 1938 году опубликовал статью «Золушка» о бедственном положении современной ему фантастики.
Незадолго до войны писатель перенёс очередную операцию, поэтому на предложение эвакуироваться, когда началась война, он ответил отказом. Город Пушкин (бывшее Царское Село, пригород Ленинграда), где жил в последние годы А. Беляев с семьёй, был оккупирован. В январе 1942 года писатель умер от голода. Был похоронен в братской могиле вместе с другими жителями города. Из книги Осиповой «Дневники и письма»: «Писатель Беляев, что писал научно-фантастические романы вроде „Человек-Амфибия“, замерз от голода у себя в комнате. „Замерз от голода“ — абсолютно точное выражение. Люди так ослабевают от голода, что не в состоянии подняться и принести дров. Его нашли уже совершенно закоченевшим…»
Оставшиеся в живых жена писателя и дочь Светлана были угнаны немцами в плен и находились в различных лагерях для перемещённых лиц на территории Польши и Австрии до освобождения Красной Армией в мае 1945 года. После окончания войны жена и дочь Александра Романовича, как и многие другие граждане СССР, оказавшиеся в немецком плену, были сосланы в ссылку в Западную Сибирь. В ссылке они провели 11 лет. Дочь замуж не выходила.
Место захоронения Александра Беляева достоверно неизвестно. Памятная стела на Казанском кладбище города Пушкин установлена лишь на предполагаемой могиле.