Родился 14 января (26 января по новому стилю) 1867 года в семье купца в Санкт-Петербурге (по другим данным в Великих Луках).
Учился в гимназии и одновременно - рисованию в школе при Центральном училище технического рисования барона А. Л. Штиглица.
В 1886 году поступил и в 1891 году окончил Академию художеств, получив звание классного художника I степени и малую золотую медаль за программу «Св. Царица Александра объявляет себя христианкой».
С 1889 года Беляев - участник выставок (1-я московская выставка этюдов). Член Общества художников исторической живописи (1895-1896); экспонент Московского общества любителей художеств (1892), ТПХВ (1893-1895), Санкт-Петербургского общества художников (1899, 1904, 1917), АХРР (1923, 1926). Участвовал в 7-й выставке Отдела ИЗО ВЦВБ Наркомпроса в Москве (1919).
В 1914 году был избран профессором Академии, с 1920 года - руководитель мастерской монументальной живописи. В 1921 году был избран проректором Академии художеств по учебной части.
Умер 19 февраля 1928 года в Ленинграде.
С 1895 по 1909 год В. В. Беляев создал 48 эскизов для мозаик храма Воскресения Христова в Петербурге (храм Спаса-на-Крови), участвовал в росписи православного собора св. Александра Невского в Варшаве (1910).
Его творчество представлено в ряде музеев, среди них - Государственный Русский музей, Государственный Эрмитаж и другие.