Родился в 1883 году в Москве, в семье священника. Окончил духовную семинарию, работал певчим, суфлёром в театре, репетитором. Окончил медицинский факультет Юрьевского университета, бо́льшую часть жизни работал врачом, совмещая это занятие с литературной деятельностью. Писал очерки, рассказы, после Октябрьской революции сотрудничал с РОСТА. Получил известность благодаря своим научно-фантастическим произведениям, написанным в 1920—1940-х годах.
Младший брат — Михаил Михайлович Беляев (1885—1950) — зоолог, педагог-методист, работал в БЮН, профессор зоологии МОПИ (1935), профессор кафедры методики естествознания МГПИ им. В. И. Ленина (1947), профессор Загорского учительского института (1949). Известен учебником для старших классов «Основы эволюционного учения: Учебник для 9-го класса средней школы» (1933). В соавторстве с ним написана книга «Сборник задач противоалкогольного содержания. Пособие при преподавании арифметики в низших школах всех ведомств». Сост. М. М. Беляев, учитель и С. М. Беляев, врач. (1914). Книга вышла в серии «Кружок деятелей по борьбе со школьным алкоголизмом», выпуск 12.
Печатался с 1905 года. Первая книга — «Семинарские очерки» (1906).
Один из немногочисленных советских писателей-фантастов 1930—1940-х годов. Автор нескольких книг «твёрдой» научной фантастики, в которых приключенческая фабула соседствует с обильно используемым научно-фантастическим материалом. Первая научно-фантастическая публикация — роман «Радиомозг» (1926; 1928), печатавшийся в «Рабочей газете», а затем вышедший отдельным изданием. В этом романе советские люди мешают замыслу западных учёных-маньяков, мечтающих получить власть над миром с помощью изобретённого ими устройства — искусственного «мозга» — способного диктовать людям чужую волю.
В романе «Истребитель 2Z» (первоначально вышел в 1928 году под названием «Истребитель 17Y», в 1939 году был кардинально переработан) зловещему изобретателю Урландо, очередному претенденту на мировое господство, снова противопоставлены советские учёные, использующие аналогичное открытие в мирных целях. Обсуждая роман, критика указывала на литературную зависимость Беляева от фантастических романов А. Н. Толстого.
В появившемся в 1945 году романе «Приключения Сэмуэля Пингля» рассказывается об учёном, научившемся искусственно перестраивать вирусы. В 1947 году вышел последний роман писателя — «Властелин молний», герои которого решают проблему извлечения из земной атмосферы атмосферного электричества и передачи его на большие расстояния.
Роман «Приключения Сэмуэля Пингля» (по мнению некоторых критиков — лучшее произведение писателя[2]) был переведён на польский, чешский, словацкий, болгарский и хорватский языки[3]. Писатель Кир Булычёв характеризует «Приключения Сэмуэля Пингля» как «очень хороший, нетрадиционный роман», в отличие от «удручающе плохо написанного» «Истребителя 2Z»[4].
Работал и в других жанрах. В 1926 году издал книгу рассказов «Пожар» и повесть «Как Иван Иванович от большевиков бегал». Известны также его документальные «Заметки советского врача» (1926). В соавторстве с популярным советским писателем Борисом Пильняком написал документальную книгу о бойнях — «Мясо» (1936), посвящённый московскому мясокомбинату имени Микояна.
Один из врагов нашего здоровья. — М.: [Урологический кабинет д-ра С. М. Беляева в Москве], 1914; 2-е издание, дополненное вышло под заглавием «Триппер — враг здоровья. Как от него уберечься и как избавиться?» — М.: Тип. «Наше слово», 1915.
Малярия: Кинофильма в пяти частях. [Кино-либретто] — [Москва:] Теакинопечать, 1929. (Серия «В помощь политпросветработнику»)
Туберкулез (чахотка) скота и меры борьбы с ним: Кинокартина в 6-ти частях. [Пояснительный текст к культурфильме] — [Москва:] Теакинопечать, 1929. (Серия «В помощь политпросветработнику»)
Береги зрение. [Пояснения к кинокартине] — [Москва:] Теакинопечать, 1930.
Гигиена женщины: Культурфильма в 6 частях. [Пояснительный текст] — [Москва:] Теакинопечать, 1930. (Серия «В помощь политпросветработнику»)
Опиум: Кинокартина в 6-ти частях. [Либретто и методические указания к беседе] — [Москва:] Теакинопечать, 1930. (Серия «В помощь политпросветработнику»)
Скарлатина: Культурфильма в 6 частях. [Либретто и методические указания к беседе] — [Москва:] Теакинопечать, 1930. (Серия «В помощь политпросветработнику»)
Физические способы лечения: Культурфильма в пяти частях. [Пояснительный текст] — [Москва:] Теакинопечать, [1930].
Кровь земли. [Нефть] [Кино-либретто и методические указания к беседе] — [Москва:] Типография «Гудок», 1931.
Снайпер: Скетч. — Москва: Отдел распространения ВУОАП, 1942. (Автор — Я. Гончаров)