Выпускник физико-математической школы № 30 Санкт-Петербурга. В 2000 году окончил с отличием Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО). С 2000 по 2003 год в аспирантуре СПбГУ ИТМО. В 2003 году защитил кандидатскую диссертацию по оптике в СПбГУ ИТМО, в 2006 году получил степень Doctor of Science in Technology по радиофизике в Хельсинкском технологическом университете. В ноябре 2010 года в СПбГУ ИТМО защитил докторскую диссертацию по радиофизике и оптике по теме «Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов».
Центральным достижением Белова является разработка метаматериалов (искусственных материалов с электромагнитными свойствами, не наблюдаемыми в природе), которые позволяют передавать изображения со сверхразрешением (то есть много меньшим длины волны используемого излучения), на несколько порядков превосходящим обычные оптические системы передачи изображений. В частности, им создана гиперлинза, передающая изображения с разрешением в 15 раз меньшим длины волны на расстояния больше трёх длин волн и увеличивающая их в три раза. На сайте Президента Российской Федерации сообщается:
Белов — член Совета молодых ученых и специалистов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО). Ведущий научный сотрудник кафедры фотоники и оптоинформатики СПбГУ ИТМО. В СПбГУ ИТМО возглавляет научную группу из 10 человек, занимающуюся изучением метаматериалов и разработкой передачи изображений со сверхразрешением. Разработки группы предположительно могут быть использованы при миниатюризации компонент оптических и электронных устройств, а также при создании нового поколения аппаратуры для медицинской томографии. Белов также работает над созданием нанокомпонент для оптических компьютеров и над стелс-технологиями.
Активно работает за рубежом (в Финляндии, Великобритании, Южной Корее). Среди компаний, с которыми сотрудничает Белов, — Nokia, Samsung Electronics, Bosch. Читает лекции и доклады по приглашению Оптического общества Америки (OSA Distinguished Visiting Lecturer Award, 2008) и Общества оптики и фотоники (SPIE Visiting Lecturer Award 2009).
Павел Белов — автор или соавтор более чем пятидесяти статей в реферируемых научных журналах (Applied Physics Letters, Journal of Optics, Physical Review B, Physical Review E, Proceedings of SPIE) десяти глав в книгах и более чем 80 докладов на международных конференциях.