Учился в 3-й петербургской гимназии.
В 1885 окончил Михайловское артиллерийское училище, откуда был выпущен подпоручиком в 29-ю артиллерийскую бригаду. Позднее был переведен в лейб-гвардии 2-ю артиллерийскую бригаду тем же чином и старшинством. Поручик (ст. 11.08.1890).
В 1893 году окончил Николаевскую академию Генерального штаба по первому разряду. Штабс-Капитан гвардии (ст. 20.05.1893).
С 26 ноября 1893 — старший адъютант штаба 24-й пехотной дивизии.
С 15 января 1897 — обер-офицер для особых поручений при штабе 18-го армейского корпуса.
С 8 декабря 1897 — Столоначальник Главного Штаба. Подполковник (ст. 05.04.1898).
С 1 декабря 1898 — младший делопроизводитель канцелярии военно-ученого комитета Главного Штаба.
С 17 апреля 1901 — старший делопроизводитель. Полковник (ст. 14.04.1902).
С 11 мая по 9 октября 1902 — командовал батальоном лейб-гвардии Измайловского полка.
С 1 мая 1903 — начальник отделения Главного штаба.Русско-японская войнаУчастник русско-японской войны 1904—1905.
С 20 февраля 1904 — штаб-офицер для особых поручений при начальнике полевого штаба Наместника на Дальнем Востоке генерале Жилинском.
С 30 ноября 1904 — и.д. начальника канцелярии полевого штаба 1-й Маньчжурской армии.
С 13 августа 1905 — начальник канцелярии штаба Главнокомандующего на Дальнем Востоке . За боевые отличия награждён Золотым оружием (1907).
С 5 декабря 1906 — начальник отделения Главного Штаба. Генерал-майор (ст. 13.04.1908). Генерал-квартирмейстер Главного Штаба (с 17 марта 1909). Начальник отдела по устройству и службе войск ГУГШ (с 31 декабря 1910), одновременно с 20 марта 1909 являлся постоянным членом Главного крепостного комитета. Генерал-лейтенант (пр. 06.12.1912; ст. 06.04.1914).Первая мировая войнаПосле проведения мобилизации 01.08.1914 назначен и.д. начальника Генерального штаба (утвержден в должности 02.04.1916). Генерал от инфантерии (06.12.1914; ст. 26.03.1920). 23 июня 1915 стал одновременно помощником военного министра А. А. Поливанова. Со 2 апреля 1916 и. о. начальника Генерального штаба. 10 августа 1916 снят с поста начальника Генштаба и назначен членом Военного совета и представителем русского командования при румынской Главной квартире.
С 3 января 1917 военный министр.После революцииВо время февральской революции пытался организовать подавление беспорядков, вместе с С. С. Хабаловым объявил Петроград на осадном положении, просил организовать присылку с фронта верных частей. Арестован 1 марта 1917 года. Находился в заключении в Петропавловской крепости. Вскоре освобождён. По постановлению Временного правительства от 1 июля 1917 вновь арестован. Допрашивался Чрезвычайной следственной комиссией Временного правительства, безуспешно пытавшейся обвинить Беляева в злоупотреблениях. После Октябрьской революции освобождён. Участия в общественной деятельности не принимал.
В 1918 году арестован органами ЧК и расстрелян.