В 1925 году Беляев создает научно-фантастический рассказ «Голова профессора Доуэля» (переработанный в 1937 году в роман), принесший писателю известность. Произведение было посвящено проблеме оживления органов, отделенных от человеческого тела, — проблеме, которая тогда считалась поистине фантастической и стала реальной в медицине лишь много лет спустя. В то время мысль об оживлении мозга, отделенного от тела, казалась невозможной. Однако произведение привлекло к себе внимание ученых, вызвало ожесточенные споры, и Беляев с удовлетворением писал: «Привлечь внимание к большой проблеме — это важнее, чем сообщить ворох готовых научных сведений. Толкнуть же на самостоятельную научную работу — это лучшее и большее, что может сделать научно-фантастическое произведение» («О Моих работах»). В наши дни созданы искусственные легкие, почки, проводятся сложные операции по пересадке сердца, возникла новая отрасль науки — микрохирургия, осуществляющая сшивание сосудов, и тем самым оказалось возможным приживление отторгнутых пальцев, рук, ног. Идет дискуссия о пересадке мозга. Известный хирург академик Н. М. Амосов поставил кибернетику на службу хирургии. Романтика мечты превратилась в романтику великих свершений. Беляев предвидел и те моральные и глубоко социальные проблемы, которые неизбежно возникнут в связи с опытами по пересадке органов одного человека другому, как бы заблаговременно поставив их на обсуждение общественности. В основе романа лежала оптимистическая идея — идея бессмертия человеческого разума.
Писатель мечтал найти пути для биологического «улучшения» человека, расширить его физические возможности. В одном из самых известных романов, «Человек-амфибия» (1928), Беляев рассказывает об ученом Сальвадоре, который пересадил жабры акулы своему приемному сыну, получившему таким образом возможность жить под водой. На вопрос, как пришла ему в голову мысль создать человека-рыбу и какие цели он преследовал, Сальвадор отвечает: «Мысль все та же — человек несовершенен. Получив в процессе эволюционного развития большие преимущества по сравнению со своими животными предками, человек вместе с тем потерял многое из того, что имел на низших стадиях животного развития. Так, жизнь в воде дала бы человеку огромные преимущества». Приход человека в океан несет с собой массу интереснейших открытий. Перед человеком открываются грандиозные перспективы в освоении подводного мира. И если мальчик-амфибия и летающий мальчик («Ариэль») — лишь смелая гипотеза Беляева, то бесспорным является гуманистическая идея могущества человека, лежащая в основе этих произведений.
Писатель мечтал все достижения науки подчинить запросам людей. Его интересовало все, что было связано с покорением природы: искусственное дождевание («ВЦБИД», 1930) и города-спутники («Зеленая симфония», 1930), проблемы микроорганизмов в воздухе («Нетленный мир», 1930) и использование энергии ветра («Воздушный змей». 1931), добывание воды в пустыне («Солнечные лошади», 1931) и проблемы торфоразработок («Чертово болото», 1931). Беляев писал о силе и скорости ветра, развитии планеризма, о двигателях, работающих на внутриатомной энергии, о применении химии в сельском хозяйстве и цельнометаллических дирижаблях. Не случайно создал писатель и ряд очерков о великих русских ученых — Ломоносове, Менделееве, Павлове, Циолковском. Особое внимание Беляева привлекала тема покорения морских глубин. При умелом использовании необъятные водные просторы принесут народному хозяйству огромные богатства. В романе «Подводные земледельцы» (1930) описывается совхоз под водой, где выращиваются водоросли. Морские плантации давали продукты питания и ценнейшее техническое сырье. Не получеловек-полурыба Ихтиандр, а обычные люди, комсомольцы-изобретатели живут в светлом, уютном домике под водой и занимаются не сказочной, а обычной работой, хотя и в причудливой обстановке. В романе «Чудесное око» (1935) рассказывается о первых попытках спуска под воду телекамеры, при помощи которой можно находить затонувшие корабли, обнаруживать целые косяки рыб, изучать морское дно и его обитателей. Сейчас, когда на службе ученых имеются мощные локаторы, специальные батискафы, оснащенные новейшей техникой (камерами цветного телевидения, фотоаппаратурой), смелая мечта Беляева стала захватывающей явью.