Павел Беляев родился 26 июня 1925 года в селе Челищево Рослятинского района Северо-Двинской губернии (ныне Бабушкинский район Вологодской области). В 1942 году после окончания десятилетки поступил на завод. В 1943 году добровольно вступил в ряды Советской Армии и был направлен в Ейское военное авиационное училище лётчиков, которое окончил в 1945 году.
Лётчиком-истребителем участвовал в советско-японской войне (август-сентябрь 1945 года), затем проходил службу в частях Военно-воздушных сил СССР.
С 1956 года учился в Военно-воздушной академии (ныне имени Ю. А. Гагарина), которую окончил в 1959 году. В 1960 году был зачислен в отряд космонавтов (1960 Группа ВВС № 1). Проходил подготовку к полётам на кораблях типа «Восток» и «Восход».
18—19 марта 1965 года Беляев совершил космический полёт в качестве командира корабля «Восход-2». Во время полёта второй пилот корабля А. А. Леонов совершил первый в мире выход в открытый космос. При посадке корабля «Восход-2», из-за отклонений в работе системы ориентации корабля на Солнце, П. И. Беляев вручную сориентировал корабль и включил тормозной двигатель.Эти операции были выполнены впервые в мире. Космонавтов нашли в 30 км юго-западнее г. Березники Пермской области. Полёт продолжался 1 сутки 2 часа 2 минуты 17 секунд.
В последующие годы проходил подготовку к полётам на кораблях типа «Союз». Герой Советского Союза. Награждён орденом Ленина, орденом Красной Звезды и медалями. Герой Социалистического Труда Народной Республики Болгария, Герой Труда Социалистической Республики Вьетнам, Герой Монгольской Народной Республики. Награждён многими иностранными орденами и медалями. Награждён золотой медалью имени К. Э. Циолковского АН СССР. Был избран почётным гражданином городов Калуга, Пермь, Вологда.
Космонавт скончался 10 января 1970 г. в Москве от перитонита. Похоронен на московском Новодевичьем кладбище.
Именем Беляева названы:
А также улицы:
В Вологде установлен памятник П. И. Беляеву на улице Мальцева.
Памятник П. И. Беляеву в Вологде
Памятник Павлу Беляеву на Аллее Космонавтов в Москве
Ежегодно во второй половине августа в Череповце проводится хоккейный турнир, носящий имя П. И. Беляева. Мемориал Беляева — старейший из существующих сейчас в стране предсезонных хоккейных турниров. Идея его проведения возникла с вводом в строй спортивно-концертного комплекса «Алмаз» в 1971 году. Всего за историю турнира в Череповце была представлена 51 команда из всех лиг отечественного хоккея. Носил турнир и звание международного. В 1972 году в нем приняла участие команда «Академик» (София, Болгария), а в 1989 году — «Теряскиекко» (Раахе, Финляндия). Также в разные годы на турнире играли клубы из Латвии, Украины, Белоруссии. С 1974 по 1976 год участие принимала и юношеская сборная СССР. В 2007 году турнир переехал из СКК «Алмаз» в Ледовый дворец, где и проводится уже второй год.