Né dans une famille modeste d'origine italienne, son père, Paul Belmondo, forgeron, était originaire de Borgo San Dalmazzo en Piémont et sa mère Rose Cerrito de Cefalù en Sicile. Sa grand-tante maternelle était la célèbre danseuse romantique Fanny Cerrito.
Grâce à une bourse, il poursuit ses études à Paris où notamment il suit les cours de Jean Boucher à l'École des beaux-arts de Paris. Il devient l'ami de Charles Despiau.
Il obtient le prix Blumenthal en 1926. Il se marie à Paris en 1931 avec Sarah Rainaud-Richard (1901-1996) (trois enfants naîtront de ce mariage, Alain, Jean-Paul et Muriel). Son atelier se situait dans d'anciennes écuries, avenue Denfert-Rochereau à Paris.