Дмитрий Константинович Беляев родился 17 июля 1917 года в селе Протасово Нерехтского уезда Костромской губернии. Его отец, Константин Павлович, был священником.

Дмитрий провел в родительском доме до 1927 года. А потом родители вынуждено отправили десятилетнего мальчика продолжать учебу в Москву. В столице он некоторое время жил в семье старшего брата Николая, ученого-генетика, работавшего в Институте экспериментальной биологии (в 1937 году он разделил трагическую судьбу Н. И. Вавилова и многих других жертв репрессий).

После отъезда в конце 1928 года Николая в Ташкент Дмитрию пришлось жить в большой семье сестры Ольги, продолжая учебу сначала в школе на Арбате, а затем – в фабрично-заводской семилетке. Подрабатывая токарем на вагоноремонтном заводе, будущее свое без биологии Дмитрий Беляев уже не мыслил. Однако социальное происхождение (сын священника) помешало ему получить желанное университетское образование.

В 1934 году Дмитрий поступил в Ивановский сельскохозяйственный институт. Окончив в 1938 году институт с отличием, Беляев стал работать лаборантом в Центральной научно-исследовательской лаборатории пушного звероводства, где его учитель, профессор Б. Н. Васин, заведовал отделом селекции и разведения. В своей первой научной работе Дмитрий Константинович изучал влияние отбора на интенсивность серебристости окраски меха у серебристо-черных лисиц, а по итогам подготовил кандидатскую диссертацию и монографию по генетике пушных зверей.

В июне 1941 года Дмитрий Беляев добровольно ушёл на фронт, несмотря на уговоры со стороны коллег продолжать научные исследования. В августе 1941 года молодого ученого призвали в Красную Армию рядовым и отправили на Калининский фронт. И уже по дороге на передовую эшелон попал под сильную бомбежку.

Беляев прошел всю войну, был дважды ранен и контужен. Май 1945 года застал 28-летнего майора Беляева в должности старшего помощника начальника химотдела армии по оперативно-разведывательной работе в Прибалтике. Здесь он принимал участие в ликвидации Курляндской группировки немцев.

После демобилизации в конце 1945 года майор Беляев вернулся к работе по генетике и селекции пушных зверей. В июне 1946-го Дмитрий Константинович защитил кандидатскую диссертацию по теме «Изменчивость и наследование серебристости меха серебристо-черных лисиц», материалы для которой собрал еще до войны. Вскоре после защиты его назначили заведующим отделом разведения во Всесоюзной научно-исследовательской лаборатории пушного звероводства и пантового оленеводства. Через некоторое время Беляев сдал в печать монографию «Основы генетики и селекции пушных зверей». Одновременно с научной работой он вел курс генетики в Московском пушно-меховом институте (бывший зоотехнический).

В августе 1948 года состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, где был учинен разгром классической генетики, перевернувший жизнь многих исследователей. Беляева сняли с должности заведующего отделом с формулировкой «за менделизм-морганизм».

Вынужденный прервать генетические исследования, ученый не оставил наблюдения над пушным зверем и обратился к его физиологии. В будущем именно эти два подхода к насущным задачам селекции – генетический и физиологический – позволили Дмитрию Константиновичу существенно развить учение о доместикации (т.е. одомашнивании), основы которого были заложены еще Дарвином.

В 1954 году состоялось межведомственное совещание специалистов, сыгравшее исключительную роль в развитии генетики. Дмитрий Константинович делает на нем доклад, а дальше «под патронажем Минвнешторга Главзверовод вскоре стал производить миллионы шкурок пушных зверей ежегодно. И тут уже без генетики никак нельзя было обойтись». В 1955–1956 годах у Беляева появилась возможность выступать с популяризаторскими лекциями в Политехническом музее, прославленном в те годы столичном лектории. Свои выступления Дмитрий Константинович обязательно сопровождал демонстрацией мехов невиданных расцветок: голубых, сапфир, топаз, бежевых, жемчуг.

В 1957 году в СО АН СССР было решено создать Институт цитологии и генетики. Дело это поручили известному генетику, члену-корреспонденту АН СССР Н. П. Дубинину, который начал приглашать к себе известных ученых. Дмитрий Константинович принял предложение организовать в новом институте отдел генетики животных.

В феврале 1958 года Дмитрий Константинович был зачислен в штат еще формируемого тогда института, расположенного в новосибирском Академгородке. Вскоре после организации последовала вынужденная отставка его первого директора Н. П. Дубинина. На должность исполняющего обязанности директора он рекомендовал Беляева, своего заместителя. Перед ученым стояла серьезная задача: не только сохранить институт в крайне усложнившихся условиях, но и обеспечить развитие только что зародившегося очага классической генетики.

В свои сорок два года Д. К. Беляев принял на себя ответственность за судьбу института и всего коллектива в целом, в итоге превратив это научное учреждение в крупнейший генетический центр страны.

В 1961 году в НГУ на факультете естественных наук была организована кафедра общей биологии (а с 1969 года – кафедра цитологии и генетики), которую до 1985 года возглавлял Беляев.

В 1964 году, по инициативе академика В. Н. Сукачева, Московское общество испытателей природы выдвинуло кандидатуру Беляева в члены-корреспонденты АН СССР, и летом этого же года он был избран большинством голосов. Это был беспрецедентный случай избрания в Академию кандидата сельскохозяйственных наук.

В 1967 году сотрудники Института цитологии и генетики совместно с учеными СО ВАСХНИЛ приступили к выращиванию нового сорта пшеницы, получившего название Новосибирская-67, который стал едва ли не самым распространенным в Сибири. Он по многим показателям превосходил районированный в Западной Сибири сорт Саратовская-29 (в частности, имел более высокие хлебопекарные качества и обладал большей неполегаемостью). Не останавливаясь на достигнутом, Беляев ориентирует своих коллег на создание озимых сортов пшеницы, капризной в суровых климатических условиях Западной Сибири, но эффективной по урожайности в благоприятные годы. Большая работа была проведена Беляевым также по доместикации диких животных. Сам он вместе с сотрудниками занимался в основном лисами и норками, и именно под его руководством на основе генных технологий была выведена новая порода норок.

Весной 1968 года Беляев становится бессменным Председателем научного совета по проблемам генетики и селекции при Президиуме Академии наук СССР, а в 1972 году он был избран действительным членом АН СССР.

В августе 1978 года в Кремлевском Дворце съездов открылся XIV Международный генетический конгресс, проходивший под девизом: «Генетика и благосостояние человечества». На пленарном заседании, посвященном памяти Н. И. Вавилова, выступил академик Беляев с докладом «Дестабилизирующий отбор как фактор изменчивости при доместикации». Московский конгресс прошел очень успешно как в научном, так и в организационном плане. Президентом Международной генетической ассоциации был избран Беляев.

На основе разработанных генетических методов селекции пушных зверей Дмитрий Константинович выявил пути наследственной перестройки механизмов воспроизведения у диких животных при их одомашнивании. Серия работ по теме «Экспериментальное исследование доместикации животных» (совместно с Л. Н. Трут) была удостоена премии Академии наук СССР (1982), а важные теоретические выводы, сделанные Беляевым на основании собственных наблюдений, и сегодня находят блестящее подтверждение на звероводческих фермах.

Интересы ученого не ограничивались стенами родного института: как заместитель председателя Сибирского отделения АН СССР он принимал самое активное участие в организации широкой сети научно-исследовательских институтов в Сибири, большое внимание уделял подготовке научных кадров. Большое значение Беляев придавал вопросам школьного обучения. Уже в 1966 году под его редакцией (совместно с Ю. Я. Керкис) вышло пособие по общей биологии для преподавателей школ, а в 1985-м на его основе был выпущен учебник по биологии для школьников.

В последние годы жизни ученого особенно занимала проблема сохранения генофондов исчезающих видов и пород животных и использования этого уникального разнообразия для науки и практики. В первую очередь он боролся за широкое изучение и бережное сохранение природных ресурсов Сибири. Ученый предлагал создать на Алтае заповедник редких диких и домашних животных (наподобие известного Аскания-Нова). Благодаря настойчивости академика предложение его было поддержано Президиумом СО АН СССР и руководством Алтайского края, и в сравнительно короткие сроки в Горном Алтае появился заповедник Черга – генетический и селекционный центр сохранения и использования ценного генофонда животных. Именно Черга была одним из главных дел последних лет жизни Беляева, на которое он потратил много времени, сил и здоровья.

Работая заместителем председателя Президиума СО АН СССР и отвечая за биологические науки, Дмитрий Константинович много сил отдавал руководству Объединенного Ученого Совета по биологии. Наиболее крупный научный результат Беляева – сформированная им на основе тридцатилетних экспериментальных исследований концепция дестабилизирующего отбора. Он как бы воспроизвел (на лисицах) исторический процесс одомашнивания животных, и эта работа стала серьезным вкладом в теорию эволюции.

Академик Беляев принимал активное участие в Конгрессах, съездах и крупных научных совещаниях, выступая на многих из них с докладами. Выдающиеся заслуги ученого были отмечены высокими отечественными наградами: двумя орденами Ленина, орденом Красной Звезды, двумя орденами Отечественной войны II степени и многими медалями. Как член ряда зарубежных академий Д. К. Беляев был награжден также иностранными орденами и медалями: орденом Кирилла и Мефодия I степени Болгарской академии наук, Большой золотой медалью «За заслуги перед наукой и человечеством» – высшей наградой Чехословацкой академии наук и др.

Дмитрий Константинович Беляев умер 14 ноября 1985 года после тяжелой продолжительной болезни.

У входа в Институт цитологии и генетики 17 июля 1989 года был установлен бронзовый барельеф в память о Беляеве.