Отец желал видеть в сыне продолжателя своего дела и отдал его в 1895 году в духовную семинарию. В 1901 Александр окончил её, но священником не стал, напротив, вышел оттуда убежденным атеистом. Наперекор отцу он поступил в Демидовский юридический лицей в Ярославле.
Александр был натурой увлекающейся. С ранних лет его влекла к себе музыка; он самостоятельно научился играть на скрипке, рояле, мог самозабвенно музицировать часами. Еще одной "забавой" были занятия фотографией, причем в самом эксцентричном варианте - съемках "фотографий ужасов" (так существовал сделанный им снимок "человеческая голова на блюде в синих тонах"). Мечтал юноша и о полетах: пытался взлетать, привязав к рукам веники, прыгал с крыши с зонтом, в конце концов поднялся в воздух на маленьком аэроплане.
Вскоре после смерти отца ему пришлось подрабатывать: Александр давал уроки, рисовал декорации для театра, играл на скрипке в оркестре цирка.
По окончании (в 1906) 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 Александр Беляев оставил юриспруденцию ради литературы и театра, который он любил с детства. Сам он мог выступать и драматургом, и режиссером, и актером. Домашний театр Беляевых в Смоленске пользовался широкой известностью, гастролировал не только по городу, но и по его окрестностям. Однажды, во время приезда в Смоленск столичной труппы под руководством Станиславского, А.Беляеву удалось заменить заболевшего артиста - сыграть вместо того в нескольких спектаклях. Успех был полным, К. Станиславский даже предложил А.Беляеву остаться в труппе, однако он по неизвестной причине отказался.
В возрасте тридцати пяти лет А. Беляев заболел туберкулезным плевритом. Лечение оказалось неудачным - развился туберкулёз позвоночника, осложнившийся параличом ног. Тяжёлая болезнь на 6 лет приковала его к постели, 3 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 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 семьей в Москву (1923), устроился на работу юрисконсультом. Там начал серьёзную литературную деятельность. Печатает научно-фантастические рассказы, повести в журналах «Вокруг света», «Знание-сила», «Всемирный следопыт», заслужив титул «советского Жюля Верна». В 1925 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», «Чудесный глаз», 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 году А. Беляев передаёт рукопись своего романа «Земля горит» в редакцию ленинградского журнала «Вокруг света». В 1934 году 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 перенес очередную операцию, поэтому на предложение эвакуироваться, когда началась война, он ответил отказом. Город Пушкин (пригород Ленинграда), где жил в последние годы А. Беляев с семьей, был оккупирован.
В январе 1942 года писатель умер от голода. Оставшиеся в живых жена и дочь писателя были депортированы немцами в Польшу.
Место его захоронения достоверно не известно. А памятная стела на Казанском кладбище города Пушкин установлена лишь на предполагаемой могиле.
Решением 63-й сессии Смоленского городского Совета № 1169 от 29 августа 2014 года за выдающийся вклад в развитие отечественной литературы, многолетнюю творческую деятельность писателю-фантасту, заслужившему мировое признание, основоположнику советской научно-фантастической литературы ХХ века Александру Романовичу Беляеву присвоено звание Почетного гражданина города Смоленска.