Il a été l'acteur principal dans le film français emblématique de la Nouvelle Vague, À bout de souffle. En 1995, il incarne Henri Fortin dans Les Misérables.
Il a pratiqué la boxe en amateur à Paris.
Il faisait partie des acteurs français de la Nouvelle Vague et à l'origine, il voulait devenir boxeur.
Son père, Paul Belmondo, était un sculpteur. Il a été marié à sa seconde épouse, Natty Belmondo, de 2002 à 2008.
Il a été mentionné dans une des chansons de Donovan.
