L'esordio cinematografico avviene nel 1956 con il cortometraggio Molière di Norbert Tildian. Nonostante abbia interpretato già pellicole di un certo rilievo - come A doppia mandata (1959) di Claude Chabrol e La ciociara (1960) di Vittorio De Sica -, il film che lo consacra come uno dei maggiori attorifrancesi presso pubblico e critica è Fino all'ultimo respiro (1960) di Jean-Luc Godard, che lo aveva già diretto precedentemente nel cortometraggio Charlotte et son Jules. Dopo il successo con il film di Godard, Belmondo viene contattato da Claude Sautet per recitare accanto a Lino Ventura nel suo noirAsfalto che scotta (1960), molto apprezzato dalla critica. Con l'interpretazione seria e malinconica di Eric Stark, Belmondo dimostra notevole talento e intensità drammatica.
Seguono successivamente le ottime prove recitative in film di buon successo, come Léon Morin, prete (1961), Lo spione (1962) e Lo sciacallo (1963), tutti e tre di Jean-Pierre Melville, maestro indiscusso del noir francese, regista che tra l'altro era apparso in un cameo nel film Fino all'ultimo respiro, nelle vesti dello scrittore Parvulesco. Nel 1963 Belmondo viene chiamato dal regista Renato Castellani per il suo Mare matto, dove interpreta brillantemente un marinaio livornese, innamorato di una pensionante (interpretata da Gina Lollobrigida) che poi si imbarcherà per trasportare un carico di vino, sotto la guida dell'ammiraglio (Odoardo Spadaro). La pellicola, pesantemente tagliata dal produttore Franco Cristaldi ma riscoperta oggi da molti critici, è un grande esempio di commedia all'italiana, con risvolti malinconici, che offre un grande spaccato dell'Italia degli anni sessanta.
Riconosciuto ormai come un divo fra i più popolari del cinema francese, con L'uomo di Rio (1964) di Philippe de Broca, Belmondo inizia la svolta del suo percorso artistico verso un filone più commerciale, tuttavia sempre molto apprezzato dal pubblico. Nel 1970 ottiene infatti un enorme successo internazionale con Borsalino, interpretato al fianco di Alain Delon. Ritornerà solo nel 1974 al cinema d'autore con Stavisky il grande truffatore di Alain Resnais, ma senza riscuotere particolari consensi.
Belmondo è da sempre apprezzato come attore per il suo stile scanzonato e brillante e per il suo grande carisma, che lo hanno contraddistinto in molteplici film, spesso in ruoli da 'duro con il cuore tenero' e da 'giovane aitante e spericolato', come nelle commedie di Philippe de BrocaL'uomo di Rio (1964) e L'uomo di Hong Kong (1965). Questa sua caratteristica, unitamente alla sua maschera dai lineamenti particolarmente accentuati, che ha portato a definirlo il brutto più affascinante del cinema francese, gli ha comunque permesso di variare magistralmente i suoi ruoli, recitando efficacemente anche in film drammatici come La mia droga si chiama Julie (1969) di François Truffaut ed Il cadavere del mio nemico (1976) di Henri Verneuil.
Jean Paul Belmondo sposò il 4 dicembre 1952 la ballerina Élodie Constantin, dalla quale ebbe tre figli: Patricia (1958), deceduta nel 1994 in un incendio, Florence (nata nel 1960) e Paul Alexandre (nato nel 1963), prima pilota automobilistico e poi proprietario di una squadra che gareggia nella 24 Ore di Le Mans.[8]
Dopo il divorzio dalla Constantin, nel 1966 Belmondo ebbe una relazione con l'attrice Ursula Andress che durò fino al 1972. Dallo stesso anno sino al 1980 fu sentimentalmente legato all'attrice italiana Laura Antonelli, mentre dal 1980 al 1987 con l'attrice e cantante brasiliana Carlos Sotto Mayor.[9]
Il 29 dicembre 2002 sposò a Parigi in seconde nozze Natty Tardivel,[10] con la quale conviveva da circa tredici anni e dalla quale divorziò sei anni dopo. Da questo matrimonio Belmondo ebbe la sua quarta figlia, Stella (nata il 13 agosto 2003). Dal 2008 al 2012 è stato legato a Barbara Gandolfi.[11]
Nelle versioni italiane dei suoi film Jean-Paul Belmondo è stato doppiato da:
Pino Locchi in Strana domenica, Caccia al maschio, Il piccione di piazza San Marco, Lettere di una novizia, Mare matto, Il bandito delle undici, Fino all'ultimo respiro, Cartouche, Buccia di banana, L'uomo di Rio, L'uomo di Hong Kong, Un avventuriero a Tahiti, La mia droga si chiama Julie, Borsalino, Il clan dei Marsigliesi, Trappola per un lupo, Gli scassinatori, Il cadavere del mio nemico, Il poliziotto della brigata criminale, Lo sparviero, L'incorreggibile, Stavisky il grande truffatore, Come si distrugge la reputazione del più grande agente segreto del mondo, Joss il professionista, Parigi brucia?, L'erede, Un avventuriero a Tahiti, Weekend a Zuydcoote, Una vita non basta, Criminal Face - Storia di un criminale