Родился в Нальчике в рабочей семье. После развода родителей в двухлетнем возрасте был оставлен матерью и воспитывался у родственников, а затем у отца с мачехой. В 1965 окончил среднюю школу с серебряной медалью. До призыва в армию работал на предприятиях Омска. В течение одного семестра учился в Омском мединституте, одновременно занимался в аэроклубе ДОСААФ.
В 1967 году Беленко поступил в Армавирское высшее военное авиационное училище лётчиков, которое успешно окончил в 1971 году. Был направлен на службу лётчиком-инструктором в Ставропольское высшее военное авиационное училище летчиков и штурманов. В служебных характеристиках и аттестациях на всём протяжении службы в армии характеризовался положительно. Член КПСС. Избирался членом комсомольского и партийного бюро. В 1975 году переведён на Дальний Восток (по его желанию) и получил назначение в истребительный авиаполк 11-й Отдельной армии ПВО (авиабаза Чугуевка (Приморский край)). В должности старшего лётчика летал на истребителе-перехватчике МиГ-25П.
6 сентября 1976 года в 6:45 Беленко вылетел с аэродрома Соколовка Приморского края для выполнения полётного упражнения. В 9:15 японское радио передало, что самолёт МиГ-25П (бортовой номер — «31»), пилотируемый советским лётчиком Беленко, совершил посадку в аэропорту Хакодате (остров Хоккайдо). Впоследствии японскими властями было сделано официальное уведомление, что Беленко попросил политического убежища. 9 сентября он был вывезен в США. Самолёт был разобран, подвергнут детальному изучению японскими и американскими специалистами и возвращён в СССР 15 ноября 1976 года. Использовался в качестве учебного пособия в Даугавпилсском военном училище.
В целях всестороннего изучения его личности были опрошены сто шестнадцать человек из числа родственников и сослуживцев. Собраны данные о состоянии здоровья, взаимоотношениях с командованием и в семье, морально-политических качествах, отношении к советской действительности. При этом данных об изменнических намерениях не поступало. Не было отмечено, чтобы он интересовался уровнем жизни на Западе, в частности американским. Среди своего окружения осуждал бывшего лётчика-инструктора Армавирского училища Сафронова, перелетевшего в Иран в 1973 году.
Со слов жены, передач зарубежных радиостанций не слушал сам и не разрешал слушать ей. Запретил переписываться со школьной подругой, которая вышла замуж за иностранца и проживала в Италии.
Вместе с тем стало известно, что Беленко однажды высказал недовольство условиями жизни лётного состава, нерегламентированным рабочим днём, частой отменой выходных. При этом он говорил, что американские лётчики заняты по службе меньше.
Не были подтверждены муссировавшиеся на Западе различные инсинуации о том, что Беленко до побега был завербован американской разведкой. По-видимому, они были сделаны в пропагандистских целях.
Полученные в ходе оперативного расследования данные в своей совокупности не давали оснований полагать, что Беленко совершил перелёт за границу, руководствуясь корыстными побуждениями.
Глубокой проработке были подвергнуты вопросы, связанные с возможностью вынужденной посадки Беленко в Японии. Для этого имелись веские основания. Он имел достаточно высокую теоретическую подготовку и, как летчик, достаточный уровень летной натренированности на самолете МиГ-25П. Об этом говорит тот факт, что вылет осуществлялся из состава дежурных сил на перехват контрольной цели, следовавшей курсом в районе береговой черты (между г. Находка и г. Владивосток.) На возможность вынужденной посадки указывало также необычное поведение Беленко в аэропорту Хакодате (стрелял из пистолета, не разрешал фотографировать, требовал зачехлить самолёт). Обращало на себя внимание отношение к нему японских полицейских, которые при вывозе с аэродрома надели на его голову мешок, грубо вталкивали в машину. Данная версия является несостоятельной, т.к. при обыске его квартиры после побега под подоконником нашли карту (выполненную В. Беленко) с расчётами перелёта в Китай. По версии Владимира Царькова (нач. авиации 10й армии ПВО в 1976 году) данная карта была поддельной с целью "замести следы" после побега.
С другой стороны, заключения специалистов, объективные данные приборов, выводы о техническом состоянии систем и аппаратуры самолёта свидетельствовали о том, что вынужденная посадка МиГ-25П в Японии была маловероятной. Полёт совершался в простых метеоусловиях. Береговая линия со всех высот просматривалась отчётливо. Лётчик мог видеть солнце и ориентироваться по нему.
По заключению ГНИИ ВВС, исследовавшего объективные данные системы автоматической регистрации параметров полёта (САРПП), возвращённой японцами вместе с самолётом, Беленко практически держал прямой курс на остров Хоккайдо и не делал никаких разворотов. Экспертизой подтверждено, что плёнка САРПП принадлежала его самолёту.
Кроме того, пользуясь разгильдяйством заправщика, Беленко заправил полные баки самолета, вместо дозволенных половины, мотивируя, что полетает чуть дольше и чтобы дважды не заправляться.
Огромным везением можно считать отсутствие расчета на ЗРК береговой линии, единственный (!) солдат которой ушел на обед, а сменщика не было вообще из-за некомплекта. Также формирование новой линии подчиненности радиолокационных и зенитных войск и связанная с этим бюрократия не позволили оперативно принять решение о ликвидации самолета во время полета. Самолет, по утверждению начальника РЛС, исчез с экрана радара за сопкой. Через 15 секунд об этом было доложено командующему составу. Далее по старшинству вплоть до Минобороны.
Системой САРПП также зарегистрировано, что Беленко ушёл из учебной зоны в сторону моря, резко снизившись до отметки менее 50 м. На этой высоте он летел над морской поверхностью от береговой черты СССР примерно 130 км. Такие действия пилота, по мнению специалистов, могли свидетельствовать о его стремлении уйти от радиолокационного сопровождения.
Личные документы Беленко (свидетельство лётчика-инструктора 1-го класса, аттестат зрелости, диплом об окончании военного училища, свидетельство о рождении) среди его вещей и у родственников не обнаружены, хотя по сообщению жены они находились в их квартире. В сообщении иностранной прессы отмечалось, что Беленко возвращены изъятые у него при задержании полицией документы, среди которых находится свидетельство о рождении. Можно полагать, что все эти документы Беленко взял с собой.
Всестороннее изучение личности Беленко, его поведения на службе и в быту показало, что у него неоднократно складывались острые конфликтные ситуации с командованием. Так, в период службы в Ставропольском авиационном училище он выражал настойчивое желание уйти с инструкторской работы и в связи с этим изыскивал различные возможности для перевода в боевой полк. Однако эти попытки успеха не имели, так как командование, как правило, лётчиков-инструкторов из училища в войска не отпускало. По этой причине он стал проявлять недовольство и резко обострил отношения с командирами. В 1975 году обратился с рапортом к начальнику училища с просьбой уволить его из Советской Армии, мотивируя тем, что не желает служить с командирами, которые постоянно злоупотребляют спиртными напитками, что частично соответствовало действительности.
За первые полгода службы на новом месте Беленко зарекомендовал себя с положительной стороны, успешно прошёл курс переподготовки на новом для него типе самолёта МиГ-25П, был назначен исполняющим обязанности начальника штаба эскадрильи, избран заместителем секретаря партийного бюро эскадрильи. К служебным обязанностям относился добросовестно. Недовольства своим положением или неустроенностью не высказывал.
Примерно с июля 1976 года стали замечаться странности в его поведении. Он стал нервозным, взвинченным. Болезненно переживал задержку с присвоением очередного воинского звания капитана и с назначением на обещанную при переводе должность начальника штаба эскадрильи.
На 6 сентября, несмотря на конфликтную ситуацию, он был включен в плановые полёты и прибыл на аэродром. Когда он направлялся к боевому самолёту для совершения полёта, один из лётчиков обратил внимание, что Беленко был бледен, на лице и шее выступили красные пятна. После посадки в кабину, находясь в состоянии нервного возбуждения, дрожащими руками долго не мог присоединить фишку радиостанции и смог сделать это только с помощью техника.
Материалы следствия свидетельствовали о том, что у Беленко действительно имелись основания быть недовольным своим служебным положением. Срок выслуги в воинском звании «старший лейтенант» у него окончился 10 января 1976 года, однако до сентября звание капитан из-за нерасторопности командования он не получил. Обещанная должность начальника штаба эскадрильи давала ему право на поступление в академию, куда он очень стремился.
Следствие пришло к выводу, что перелёт был совершён умышленно, хотя и без прямых изменнических намерений.
Беленко был включён в число специалистов сформированной ЦРУ группы, занимавшейся изучением магнитофонных записей переговоров советских лётчиков с землёй во время инцидента с корейским пассажирским самолётом, сбитым на Дальнем Востоке в сентябре 1983 года.
Вот как Беленко описывал посещение супермаркета:
В браке с американкой у него родились трое детей. После развода по условиям брачного контракта оставил второй жене дом. В 1980 году в сотрудничестве с писателем Джоном Барроном издал книгу «Пилот МиГа» (John Barron, «MIG Pilot»). По мнению некоторых российских источников в 1997 году при загадочных обстоятельствах погиб в автокатастрофе. В 2000 дал интервью американскому корреспонденту на авиашоу в шт. Висконсин, США, в котором, в частности, сказал:
В официальных заявлениях пропаганды того времени последствия не были оценены объективно, так как носили заказной характер. В частности, кроме заявлений о «морально-политическом уроне», побегу Беленко приписывали материальный ущерб СССР на сумму около 2 млрд руб., поскольку пришлось в срочном порядке по всей стране менять аппаратуру системы распознавания «свой-чужой».
Были изучены и вскрыты перегибы в действиях партийно-должностной элиты, принимающие к тому времени систематический характер и массовость. Например, равнодушие к жизни честно выполняющих свой долг офицеров, на фоне личных карьерных мотивов (в частности, превращение выходных дней подчиненных в рабочие с целью быстро выделиться видимыми результатами).