Pierre Carrier-Belleuse est le fils du sculpteur Albert-Ernest Carrier-Belleuse et de Louise Anne Adnot. D’abord élève de son père, puis d'Alexandre Cabanel à l’École des beaux-arts de Paris, il expose pour la première fois au Salon de 1875. Il y reçoit une mention honorable en 1887.
À l’instar de son père, son œuvre porte essentiellement sur la Femme. Ses dessins de danseuses furent fréquemment reproduits dans Le Figaro illustré. Pierre Carrier-Belleuse participe à l'Exposition universelle de 1889 et y remporte une médaille d'argent qui le met hors-concours. Il entre en 1890 à la Société nationale des beaux-arts, et y est nommé sociétaire en 1893. Il y expose tous les ans des pastels qui font son succès. En 1895, Carrier-Belleuse est nommé président de la Société internationale de peinture et de sculpture.
À partir de 1885, il ne travaille pratiquement plus qu’au pastel. Cette même année, il épouse Thérèse Duhamel-Surville, petite nièce d'Honoré de Balzac. De ce mariage nait une fille, Pierrette. Pierre Carrier-Belleuse a beaucoup peint sur la côte d’Opale. Il possédait une villa sur le sommet d’une falaise, à Wissant. Les dunes avoisinantes lui ont fourni le cadre de plusieurs de ses œuvres. Il a participé à l’école de Wissant, fondée par ses amis les peintres Adrien Demont et Virginie Demont-Breton. En 1920, il est nommé Rosati d'honneur (société littéraire fondée en 1778).
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