Печатался с 1910. С середины 1920-х годов, заболев туберкулезом позвоночника, занимался исключительно литературной деятельностью, став одним из основоположников жанра научной фантастики в отечественной литературе. В 1925 были опубликованы первый рассказ Беляева Голова профессора Доуэля (1925; переработан в роман в 1937) и его первая повесть Последний человек из Атлантиды. Эти и последующие произведения Беляева неизменно выходили за пределы специфически-научных прозрений к острым проблемам социального бытия, ответственности ученого и судеб гуманистических ценностей в технологизированном мире, населенных яркими и необычными людьми, увлекающих динамичным развертыванием авантюрно-приключенческого сюжета, впечатляющими картинами прошлого и будущего, проникнутых теплым юмором. Таковы, в частности, романы Остров погибших кораблей (1926; окончательная редакция 1937), Над бездной (1927), Вечный хлеб, в котором несправедливо устроенное общество делает изобретение ученого причиной всемирной катастрофы; Человек-амфибия, Борьба в эфире (все 1928), Продавец воздуха, Властелин мира (оба 1929), в которых ученые пытаются сделать свои изобретения орудиями власти или наживы; Прыжок в ничто (1933), живописующий бегство супербогачей в космическое пространство от торжествующего на планете Земля коммунизма; Ариэль (1941) – о человеке, способном летать, как птица.

Черты памфлета, утопии и антиутопии сочетаются в произведениях Беляева с плодотворными научно-техническими предвидениями (многие из которых уже сбылись), в частности, в романах: Подводные земледельцы (1930), Чудесное око (1935), Звезда «КЭЦ» (1936; посвящена К.Э.Циолковскому), Лаборатория Дубльвэ и Под небом Арктики (оба 1928). Светлую тональность творчеству Беляева придает не только технократический оптимизм, но и свойственный определенному пласту отечественной литературы 1920–1930-х годов (А.С.Грин, П.Д.Коган) романтический настрой, планетарная масштабность мировосприятия, просветительская идеализация человека и мощи его фантазии, разума и воли.

Беляев оставил также сценарий фильма Когда погаснет свет, цикл очерков о деятелях русской науки, статьи по теории научно-фантастического жанра. Долголетней популярностью пользуется созданный по одноименному роману Беляева художественный фильм Человек-амфибия (1962; реж. Г.С.Казанский, В.А.Чеботарев).

Умер Беляев в г.Пушкине Ленинградской области 6 января 1942.