Кандидат физико-математических наук (1981), доктор юридических наук (2000), профессор, действительный член РАЕН по секции «Литература и пропаганда знаний» (2001 год), академик-секретарь отделения «Точные методы в гуманитарных науках».
Отец — выдающийся советский, российский криминалист, профессор Рафаил Самуилович Белкин (1922—2001), мать — инженер-металлург Генриета Лазаревна Белкина (род. 1922). Сестра — Елена Рафаиловна Россинская (род. 1949) — видный российский учёный-криминалист, доктор юридических наук, профессор, директор Института судебных экспертиз, заведующая кафедрой судебных экспертиз МГЮА.
Окончил факультет управления и прикладной математики Московского физико-технического института в 1978 году и аспирантуру того же вуза по кафедре члена-корреспондента АН СССР Г. С. Поспелова в 1981 году.
В 1981 году в Московском физико-техническом институте защитил кандидатскую диссертацию на тему «Применение теории графов к анализу и оптимизации функционирования одного класса сложных систем».
До 1987 года работал старшим научным сотрудником в Научном совете АН СССР по комплексной проблеме «Кибернетика», с 1987 года — заведующий сектором систем поддержки принятия решений во вновь образованном Институте автоматизации проектирования АН СССР (позже — РАН, директор — академик О. М. Белоцерковский).
В 1991 году основал первый частный научно-исследовательский институт в России — Институт Независимых Исследований, ныне специализирующийся в области судебно-экспертной деятельности, и до нынешнего времени является его генеральным директором.
В 2000 году в Воронежском государственном университете защитил докторскую диссертацию по теме «Теория доказывания: криминалистический и оперативно-розыскной аспекты».
С 2000 года — профессор кафедры уголовного права, процесса и криминалистики Московского государственного университета приборостроения и информатики. Ведёт преподавательскую деятельность также и в других вузах.
Автор и соавтор более 120 научных работ, нескольких монографий и учебных пособий.
В 2000—2008 годах параллельно был сотрудником (консультантом) бюро проверки газеты «Комсомольская правда».
Женат, двое детей.
В «Что? Где? Когда?» играет с 1997 года, бессменный капитан команды «Неспроста», Командор Интеллектуального клуба «Неспроста», организатор и топ-редактор ряда крупных турниров.
Трёхкратный чемпион высшей лиги чемпионата Москвы по ЧГК (1998/99, 1999/2000, 2000/01), двукратный чемпион России по ЧГК (2004, 2006), шестикратный чемпион Суперлиги МАК (1999—2006), чемпион мира по ЧГК (2008) в составе команды «Неспроста».
В феврале 2009 года был дисквалифицирован Исполкомом Ассоциации московских клубов (АМК) в турнирах, проводимых АМК и под эгидой АМК, по обвинению в нечестной игре. По утверждению группы обвинителей, делом будут заниматься компетентные правоохранительные органы, однако реальной информации о том, так ли это и движется ли дело, опубликовано не было. Несмотря на прямой призыв АМК, Международная Ассоциация клубов ЧГК (МАК) дисквалификацию не поддержала, информация о том, рассматривала ли она этот вопрос вообще, не обнародована. Сам Анатолий Белкин утверждал и утверждает, что всё это было спланированной акцией с целью устранить его команду «Неспроста»; однако в знак протеста он прекратил собственно игровую деятельность, хотя и продолжает регулярно организовывать и проводить большие турниры по интеллектуальным играм.
Несколько лет успешно играл в телевизионной «Своей игре», чемпион суперфинала 1997 года, чемпион «Золотой дюжины» 2007 года, принимал участие в мировом кубке «Jeopardy!» в 1997 году.
Поэт-лирик, иронист и лимерист, публиковался в периодике и коллективных изданиях, издал ряд персональных и коллективных сборников стихов.
Начинал как поэт-иронист и сатирик, позже был идейно близок к куртуазным маньеристам. После 1995 года тяготеет преимущественно к философской лирике, однако приобрёл известность как поэт-лимерист, опубликовав сборник из 1001 лимерика «Лимерикон, или Всемирная история в лимериках».
В 1990-х годах выдвинул и обосновал поэтико-философскую концепцию этернизма, призывающую поэтов раскрывать т. н. вечные темы через их повседневные проявления; однако распространения она не получила.
Член Союза писателей России. Секретарь Союза литераторов России. Член Клуба сатириков и юмористов «Чёртова дюжина».