Сергей Алексеевич Беляев родился 29 апреля 1936 г. в Костроме, где отец находился в ссылке. По линии отца, протоиерея Алексия (Сергеевича) Беляева, все предки родом из Санкт-Петербурга, по линии матери, Марины Александровны (урожденной Матвеевой) – из-под Мценска. Отец был иподиаконом сначала у священномученика митрополита Серафима (Чичагова), потом у архиепископа Феодора (Поздеевского). В 1930 году отец и мать были высланы из Москвы по делу Александра Дмитриевича Самарина. Отец провёл три года на лесоповале в Архангельской области, после чего семья обосновалась в Костроме.

Закончил среднюю школу в городе Скопин Рязанской области, в 1959 году исторический факультет Ленинградского государственного университета. В 1970 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Города римской Северной Африки во времена владычества вандалов (по данным Виктора из Виты)». Участник раскопок в Херсонесе с 1961 года, в 1972–1984 годах руководил экспедицией АН СССР в Херсонесе, которая, в частности, определила место крещения Великого князя Владимира. Работал в Ленинградском отделении Института археологии Академии наук, в 1977 году по приглашению академика Б.А. Рыбакова перешел в основной институт в Москве.

Ныне старший научный сотрудник Центра по изучению истории религии и церкви Института всеобщей истории Российской Академии Наук. Область интересов: Поздняя Римская империя, раннее христианство (христианская археология, история ранней Церкви, архитектура, литургика), история Херсонеса, русская эмиграция первой волны. С 90-х годов руководил работами по обретению святых мощей угодников Божиих, в том числе преданных поруганию в годы революции и советской власти. Под его руководством было обретено более тридцати святых мощей, в том числе мощи Патриарха Тихона, Оптинских старцев, преподобного Максима Грека, митрополитов Филарета и Иннокентия Московских, архиепископа Иоанна Поммера в Риге и многие другие.

По поручению Патриарха Алексия II изучал материалы Уголовного дела 16\123666-93 по обстоятельствам гибели представителей Дома Романовых и представил соответсвующий доклад. Изложил свое особое мнение по вопросу идентификации "Екатеринбургских останков". Был членом Правительственой комиccии