Родился 18 декабря 1977 года в г. Усть-Илимске Иркутской области.

Выпускник физ.-мат. школы № 30 г. Санкт-Петербурга. В 1994 г. поступил в Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО), который окончил с отличием в 2000 г. С 2000 г. по 2003 г. обучался в аспирантуре СПбГУ ИТМО. Защитил две кандидатских диссертации: по оптике в 2003 г. в СПбГУ ИТМО, и по радиофизике в Хельсинском техническом университете в 2006 г.

Лауреат премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых учёных за 2009 год. Премия присуждена за результаты исследований в области физики метаматериалов и разработку устройств передачи и обработки изображений со сверхразрешением.

Лауреатом опубликовано более 50 научных статей в реферируемых научных журналах, 10 глав в книгах и более 80 докладов на международных конференциях. Он является обладателем медали международного общества техники и технологий за заслуги в области электродинамики (IET Achievement Award, 2006) и лауреатом международной премии имени первооткрывателя голографии Дениса Габора (International Dennis Gabor Award, 2003).

Победитель конкурсов на соискание грантов Президента Российской Федерации  для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук в 2005 и 2009 гг. Является активным членом Совета молодых ученых и специалистов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО).

Имеет обширный опыт работы за рубежом (Финляндия, Южная Корея, Великобритания) в сотрудничестве с такими промышленными гигантами как компании Nokia, Samsung Electronics и Bosch. Многократный обладатель престижных международных стипендий и грантов.

Читает приглашенные лекции и доклады в рамках программ международного общества оптических инженеров и американского оптического общества (OSA Distinguished Visiting Lecturer Award 2008; SPIE Visiting Lecturer Award 2009).

Полученные им результаты имеют как фундаментальное, так и огромное практическое значение, поскольку могут радикальным образом изменить концепции конструирования оптических и микроволновых компонент различных устройств и тем самым привести к революции в информационно-телекоммуникационных технологиях.

Важнейшим научным результатом, полученным П.А.Беловым, является разработка метаматериалов (искусственных материалов с электромагнитными свойствами, не наблюдаемыми в природе), которые позволяют передавать изображения со сверхразрешением (т.е. много меньшим длины волны используемого излучения), что на несколько порядков лучше, чем разрешение обычных оптических систем передачи и обработки изображений. 

Им впервые в мире создана гиперлинза, способная одновременно передавать изображения с разрешением в 15 раз меньшим длины волны на расстояния больше 3 длин волн, при этом увеличивать их в 3 раза.

Белов руководил научной группой СПбГУ ИТМО, занимающейся исследованием метаматериалов и их применением в информационно-телекоммуникационных технологиях для миниатюризации компонент оптических и электронных устройств (например, для создания компактных антенн мобильных телефонов), а также в медицинской технике для улучшения чувствительности томографов и создания нового поколения аппаратуры, позволяющей производить трехмерное сканирование тела при помощи терагерцового излучения, более безопасного, чем рентгеновское.

Кроме того, исследователь уделяет внимание разработке систем передачи изображений со сверхразрешением, например наноскопов с разрешением в несколько нанометров, нанокомпонент для оптических компьютеров, а также маскирующих покрытий, делающих объекты невидимыми.

В настоящее время занимает должность директора физико-технического мегафакультета Национального исследовательского университета ИТМО.