Belon nació en Le Mans (Francia) en el seno de una familia humilde. Estudió farmacia y posteriormente botánica en la universidad alemana de Wittenberg gracias al mecenazgo de Valerius Cordus. En 1542 viaja a París, donde se licenció en la Facultad de Medicina.

El viaje hacia el Mediterráneo oriental que marcaría su destino lo realizó entre los años 1546 y 1549, en una misión diplomática a Constantinopla bajo en encargo de Francisco I. En Roma se reunió con Rondelet y Salviani. El objetivo de Belon era identificar y clasificar tanto especies animales y vegetales como lugares y objetos descritos por los autores clásicos. Este viaje hacia el misterioso oriente le permitió desplegar los conocimientos adquiridos durante su formación y sus resultados fueron publicados en 1553 bajo el título Les observations de plusieurs singularitez et choses memorables trouvées en Grèce, Asie, Judée, Egypte, Arabie et autres pays étrangèrs. Este trabajo, provisto de numerosas ilustraciones xilográficas de gran calidad que muestran tanto animales y plantas, mapas y planos de ciudades, así como retratos de personajes con sus respectivas armas y atuendos, cosechó gran éxito entre los lectores europeos del momento, pues permitió imaginar esa parte del mundo a través de una fuente ilustrada, moderna y distinta a las clásicas. 

A su vuelta a París, Pierre Belon se interesó por la zoología, publicando en 1551 el primer libro impreso dedicado a los peces (Histoire naturelle des estranges poissons marins), donde se incluyen e ilustran no solo peces, sino también cetáceos, hipopótamos, moluscos y otros invertebrados marinos. Lo relevante de este trabajo es que Belon describió en detalle la anatomía de cada especie representada a través de observaciones y disecciones que él mismo realizó. Esto le permitió identificar la respiración pulmonar en los delfines, así como la presencia de glándulas mamarias o placenta, sentando las bases tanto de la anatomía comparada como de la embriología modernas.

En 1555 publica L'Histoire de la nature des oyseaux, para el cual diseccionó cientos de especies de aves. Está ilustrado con 162 xilografías de aves, figurando un murciélago entre ellas. Belon postula en este trabajo que los esqueletos en aves y mamíferos siguen un mismo patrón general. A diferencia de Gesner y su Historia Animalium, Belon organiza las aves por grupos afines morfológicamente, y no por orden alfabético. En 1555 también ve la luz La nature et diversité des poissons, un trabajo en octavo de páginas apaisadas sobre animales marinos provisto de 180 xilografías en las que se figuran, además de peces, cetáceos y otros mamíferos, reptiles e invertebrados marinos entre los que se mezclan algunos seres fantásticos o mitológicos. Muchos de estas xilografías serán reproducidas posteriormente en Historia Naturalis de Ulisse Aldrovandi.

Posteriormente consiguió licencia para ejercer la medicina y se dedicó a investigar y a experimentar con la aclimatación en suelo francés de diferentes especies vegetales exóticas con fines terapéuticos. Publicó en 1558 Les Remonstrances sur le default du labour et culture des plantes, considerada la primera obra en francés sobre agricultura. Belon murió brutalmente asesinado a las afueras de París en abril de 1564. La identidad y los motivos de sus asesinos todavía hoy se desconocen.