Párizs egyik külvárosában, Neuillyben született művészcsaládban: édesapja szicíliai származású szobrászművész, édesanyja festő volt. Az ifjú Belmondo azonban a művészetek helyett inkább a sportokhoz vonzódott: futballozott, kerékpározott és bokszolt (erre utal jellegzetes orrformája is). Egy súlyos betegség után döntött a színészet mellett, és harmadszorra felvették a párizsi színművészeti főiskolára, ahol megkedvelték a tehetséges fiatalembert. Egyedül a fizimiskájával nem voltak megelégedve, óva intették, hogy ezzel az arccal a nők közelébe menjen. A főiskola elvégzése után először színpadon szerepelt, s játékát a kritika hol dicsérte könnyedségéért, természetességért, hol pedig 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. 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.

Művészetéért 2006-ban megkapta a Becsületrendet, a civileknek adható legmagasabb kitüntetést Franciaországban.