Après des études d'art dramatique à Paris, Beauvallet débute comme scénariste pour le cinéma en 1973, collaborant notamment avec Alain Cavalier, Claude Lelouch et Costa-Gavras. Il écrit également pour la télévision avant de se tourner vers la réalisation de films à partir des années 1980.
Son premier long métrage en tant que réalisateur est *L'amour à vingt ans*, sorti en 1979, qui reçoit un accueil mitigé de la critique. Cependant, Beauvallet connaît le succès avec son deuxième film, *Les uns et les autres*, sorti en 1981, qui raconte l'histoire d'amour entre deux hommes dans les milieux gay de Paris. Le film est salué par la critique et est nommé au César du meilleur premier film.
Parmi ses autres films notables figurent *Série noire*, sorti en 1985, qui met en scène Alain Delon dans le rôle d'un détective privé à la retraite, et *La Petite Amie de mon meurtrier*, sorti en 1990, un thriller policier inspiré du roman éponyme de Pierre Boileau et Thomas Narcejac.
En plus de ses activités dans le cinéma, Beauvallet est également producteur sur des projets tels que *Le Crabe-Tambour* (1977) de Jacques Rivette ou encore *Trois places pour le 26* (1980) de Jean-Jacques Annaud.
En 2015, Beauvallet revient derrière la caméra après une longue absence avec le film *Le Secret de ma grand-mère*, qui raconte l'histoire d'une famille juive pendant la Shoah et les années qui ont suivi. Le film est sélectionné en compétition officielle du Festival international du film de Locarno.
Pierre François Beauvallet est considéré comme un cinéaste influent dans le domaine du film gay français, bien que son œuvre ne soit pas dépourvue d'une forte imprégnation sociale et historique. Il continue à travailler et à réaliser des films à l'heure actuelle.