Mládí
Narodil se v Neuilly-sur-Seine, západně od Paříže. Jako syn věhlasného francouzského sochaře Paula Belmonda a malířky Madeleine Reinaud-Richard studoval na Conservatoire National Superieur d’Art Dramatique (CNSAD). Na studiích se mu sice příliš nedařilo, zato v sobě objevil vášeň pro box a fotbal.

Po několika menších divadelních představeních v roce 1957 si zahrál ve svém televizním debutu Pěšky, na koni a vozem (À pied, à cheval et en voiture; 1957), avšak scény, ve kterých se měl objevit, byly z filmu vystřiženy ještě před jeho uvedením.

Film
Jeho zlomovou rolí se stala postava Michela Poiccarda alias Laszla Kovacse ve filmu U konce s dechem (1960) Jeana Luca Godarda z roku 1960, která jej učinila hlavním představitelem francouzské nové vlny. Dále si zahrál například ve filozoficky laděném snímku režiséra Jean-Pierre Mellvilla Kněz Léon Morin (1961) nebo v kriminálním příběhu Práskač (1963).

Rolí Adriena Dufourqueta ve filmu Muž z Ria (1964) se začal přeorientovávat na komerční produkce, především komedie a akční filmy. Za nedodržení smlouvy u filmu Borsalino (1970) se soudil a tak se téměř 30 let neobjevil po boku Alaina Delona. Do poloviny osmdesátých let byly pro něj typické buď role neodolatelných a šviháckých dobrodruhů nebo o něco cyničtějších hrdinů. Do roku 1986 byl jednou z hlavních kasovních francouzských hvězd. Byl známý tím, že se při riskantních filmových scénách nenechával zastupovat kaskadéry.

S postupujícím věkem začal dávat přednost divadelním prknům, kde byl velmi úspěšný. Po vzoru Alaina Delona založil svoji vlastní produkční společnost Cerito, nazvanou podle dívčího jména jeho babičky. V roce 1989 byl za svůj výkon v komediálním dramatu Cesta zhýčkaného dítěte (1988) oceněn Césarem. Je také držitelem Řádu čestné legie, nejvyššího francouzského státního vyznamenání.

17. května 2011 obdržel na Filmovém festivalu v Cannes Zlatou palmu za celoživotní dílo, konkrétně za „oslnivý talent a úspěšnou hereckou dráhu“.

Soukromý život
Byl dvakrát ženatý a má tři děti. Se svojí první ženou Elodií Constantin se oženil 4. prosince 1953 a měli spolu dcery Patricii (zemřela 1994 při požáru) a Florence a syna Paula. Jejich manželství skončilo v roce 1965 rozvodem. Poté měl vztah se svými hereckými kolegyněmi Ursullou Andress a Laurou Antonelli. Znovu se však oženil až v roce 2002. Jeho v pořadí druhá manželka Natty Belmondo mu v roce 2003 porodila další dceru, rozvedli se v roce 2008. Žádné z jeho dětí se nevydalo na hereckou dráhu, ačkoliv syn Paul se objevil v epizodní roli ve filmu Cesta zhýčkaného dítěte.

V létě roku 2001 jej při pobytu na Korsice zasáhla mozková příhoda, po které strávil následujících šest dní v kritickém stavu v pařížské nemocnici. Od této doby se přestal objevovat jak v divadle, tak na televizní obrazovce. Ve filmu se objevil až v roce 2008 v komorním snímku Muž a jeho pes.