Vincenzo Bellini war der älteste Sohn von Rosario Bellini (1776–1840) und Agata Ferlito. Er wurde als Sohn und Enkel von Kirchenmusikern geboren. Als Dreijähriger begann er Klavier zu spielen, als Sechsjähriger versuchte er sich im Komponieren. Seinen ersten Musikunterricht erhielt er von seinem Großvater Vincenzo Tobia Bellini. Zwischen 1813 und 1818 entstanden Bellinis erste Kompositionen, neben einigen Vertonungen geistlicher Texte vor allem kleine Instrumentalstücke und Lieder mit Klavierbegleitung für die Salons der feinen Gesellschaft in Catania, zu der Bellini schnell Zugang gefunden hatte. Der Herzog und die Herzogin von Sammartino ermöglichten ihm ein Studium am Reale Collegio di Musica di San Sebastiano in Neapel, das er von 1819 bis 1825 besuchte.

Am Theater des Konservatoriums führte Bellini am 12. Februar 1825 gleichsam als sein Gesellenstück die Oper Adelson e Salvini auf. Deren Erfolg machte Domenico Barbaja, den Impresario des Teatro San Carlo in Neapel, auf Bellini aufmerksam. Barbaja war bekannt für seine Entdeckungen vielversprechender Talente (er hatte auch Gioachino Rossini gefördert); er erteilte Bellini den Auftrag für die Oper Bianca e Fernando.

Daraufhin interessierte sich auch das Teatro alla Scala in Mailand für eine Zusammenarbeit mit Bellini. Dort begegnete er dem Librettisten Felice Romani. Die Mailänder Premiere von Il Pirata verschaffte Bellini den Durchbruch. La Straniera (1829) unterstrich Bellinis Stellung als einer der nunmehr führenden italienischen Opernkomponisten, die auch durch den Misserfolg von Zaira (1829 - Teatro Ducale in Parma) nicht erschüttert werden konnte. Vom Teatro La Fenice in Venedig erhielt er das Angebot, Romanis Libretto I Capuleti e i Montecchi zu vertonen, nachdem der ursprünglich dafür vorgesehene Giovanni Pacini kurzfristig abgesagt hatte. Um sein neues Werk rechtzeitig abliefern zu können, verwendete Bellini größere Teile aus der glücklosen Zaira in umgearbeiteter Form. 

Bellini wählte für seine neue Oper La sonnambula (1831) am selben Theater herauskam. Für die nächste Oper Norma bearbeitete Romani eine Tragödie von Alexandre Soumet, die bereits Giovanni Pacini als Grundlage für seine Oper La Sacerdotessa d'Irminsul gedient hatte. 

1832 reiste Bellini über Neapel in seine Heimat Sizilien, wo man ihm einen triumphalen Empfang bereitete. Danach folgte er einer Einladung nach London, um dort mehrere seiner Werke einzustudieren. Seine nächste Zusammenarbeit mit Felice Romani sollte die letzte sein. Nachdem Beatrice di Tenda am 1833 im Teatro La Fenice in Venedig durchgefallen war, gab Bellini dem Textbuch Romanis die Schuld; dieser wiederum warf dem Komponisten vor, über seinen Liebesaffären die Kunst zu vernachlässigen. Diese Streitigkeiten zwischen den beiden Künstlern und ihren Anhängern wurden wochenlang öffentlich in der Presse ausgetragen und führten zum Bruch zwischen Dichter und Komponist.

Seine letzte Oper komponierte Bellini für das Théâtre-Italien in Paris, wo I Puritani am 1835 uraufgeführt wurden. Dieser Triumph des ersten französischen Auftrags wurde bejubelt, gekrönt von einem Orden der Ehrenlegion und einer Audienz bei Königin Maria Amalia. Als sich kurz darauf sein langjähriges Leber- und Darmleiden verschlimmerte, zog Bellini sich in sein Landhaus in Puteaux zurück. Sein Tod am 23. September 1835 kam für alle Außenstehenden überraschend und führte zu Spekulationen über eine mögliche Vergiftung. Bellini wurde mit einer Zeremonie von den Ausmaßen eines Staatsbegräbnisses geehrt. Bei der Trauerfeier am 2. Oktober 1835 im Invalidendom wirkten neben Solisten des Théâtre-Italien 350 Chorsänger mit; die Beisetzung erfolgte auf dem Friedhof Père-Lachaise. 1876 wurde Bellinis einbalsamierter Leichnam nach Catania überführt.