Giuseppe Gioachino Belli nacque a Roma nel 1791 da una famiglia benestante composta da Luigia Mazio e Gaudenzio Belli. La famiglia aveva altri tre figli: Carlo, morto a 18 anni, Flaminia, nata nel 1801 e diventata suora nel 1827, e Antonio Pietro, nato dopo la morte del padre e morto ancora in fasce.

Nel 1798 i francesi occuparono Roma e i Belli si rifugiarono a Napoli. Quando il potere pontificio fu ripristinato, tornarono a Roma e poi, nel 1800, si stabilirono a Civitavecchia, dove Gaudenzio Belli aveva trovato lavoro al porto. Quando morì nel 1802, lasciò la famiglia in gravi difficoltà economiche e si trasferirono a Roma, stabilendosi in via del Corso.

La madre si risposò nel 1806, ma morì l'anno successivo. I figli furono presi in cura dallo zio paterno, Vincenzo Belli. Giuseppe Gioachino dovette interrompere gli studi e trovare lavoro come computista presso i principi Rospigliosi e presso l'Azienda Generale della Reverenda Camera degli Spogli. Insegnò anche qualche lezione privata.

Nel 1812 ottenne lavoro e alloggio presso il principe Stanislao Poniatowsky, ma fu licenziato l'anno successivo per contrasti, si suppone, con Cassandra Luci, amante (e poi moglie) del principe.

Intanto, Belli aveva cominciato a scrivere le prime poesie e opere letterarie. Nel 1805 scrisse le ottave "La Campagna", un componimento scolastico sulla bellezza della natura, l'anno successivo una "Dissertazione intorno la natura e utilità delle voci", poco più di un riassunto del Saggio sull'origine delle conoscenze umane di Condillac, dove si parla del linguaggio come elemento espressivo di mediazione tra la sensazione e il pensiero. Altri suoi scritti su alcuni fenomeni naturali, pur privi di importanza scientifica, dimostrano la sua curiosità e il suo spirito di osservazione. Nel 1807 scrisse le "Lamentazioni", poemetto di nove canti in versi sciolti, con atmosfere notturne, la "Battaglia celtica", entrambe a imitazione del Cesarotti, allora in voga, e "La Morte della Morte", del 1810, un poemetto scherzoso in ottave, scritto a imitazione del Berni.

Nel 1812 Belli entrò nell'«Accademia degli Elleni» con il nome Tirteo Lacedemonio, istituto filo-francese fondato nel 1805. Nel 1813 una scissione portò alla fondazione dell'«Accademia Tiberina», alla quale passò Belli. La nuova Accademia comprendeva gli oppositori dell'Impero, liberali e clericali, ed ebbe tra i membri Mauro Cappellari, futuro papa Gregorio XVI.

Nel 1821 pubblicò il primo volume delle Sonetti romaneschi, seguito dal secondo nel 1830 e dal terzo nel 1836, che lo consacrarono come uno dei maggiori esponenti della poesia romanesca e gli valsero l'elogio di personalità illustri come Giacomo Leopardi e Alessandro Manzoni.

Nel 1823 morì la madre adottiva del Belli, Vincenza, seguita nel 1825 dallo zio Vincenzo. La situazione economica della famiglia si fece precaria, ma il Belli trovò sostegno e solidarietà tra gli amici e i colleghi dell'Accademia Tiberina.

Negli anni successivi continuò a scrivere poesie e opere teatrali, ma si dedicò anche all'attività di ritrattista e scenografo per il teatro.

Nel 1831 ottenne il riconoscimento ufficiale della sua arte con la nomina a poeta laureato del Campidoglio, conferitagli dal papa Gregorio XVI.

Morì il 21 dicembre 1863 a Roma, dove è sepolto nel cimitero del Verano.

La poesia di Giuseppe Gioachino Belli è caratterizzata da una forte componente dialettale romanesca, che l'autore utilizza per rappresentare la vita quotidiana del popolo e per denunciare la corruzione e l'ingiustizia della società del suo tempo. La sua opera rappresenta un'importante testimonianza della vita e della cultura romanesca dell'Ottocento.