Le premier maître de Pierre de Belay est son père, artiste amateur, qui peint dans le style de Barbizon. Max Jacob remarque le talent du jeune homme et l'encourage à devenir peintre. En 1905, Pierre de Belay rejoint Max Jacob à Paris où il côtoie les amis du poète : Picasso, Apollinaire, Salmon, etc.Il s'établit définitivement à Paris en 1907 (ou 1908), visitant les expositions et fréquentant les ateliers. Après un interruption due à son service militaire et la guerre, il s'installe à Montparnasse. 

Le succès vient vite et en 1923, il obtient la commande d'une importante décoration pour la salle à manger de l'hôtel Kerlir de Bénodet près de Quimper. Il obtient d'autres succès dans la décoration, en particulier à l'Exposition Universelle de 1937. Il dessine également des tissus, prenant la suite de Dufy chez le créateur lyonnais de soierie, Biaanchini Ferrier. Pierre de Belay multiplie les expositions personnelles où il présente les tableaux peints durant l'été sur les ports ou les marchés de Bretagne. La technique de Pierre de Belay a évolué depuis une peinture mince en aplats jusqu'à une maîtrise très empâtée aux couleurs vives non mélangées. En 1939, il invente une nouvelle technique qu'il appelle le "treillisme". 

Pierre de Belay meurt prématurément en 1947 à Ostende.