Отец — Вельяминов Сергей Петрович (1898-1976), потомственный военный из древнего дворянского рода, известного с XI века. Мать — Вельяминова Татьяна Ермиловна (1893-1972).
Народный артист РСФСР (1985).
Народный артист Чувашской Республики.
Имеет троих детей, среди них сын Сергей Вельяминов (род. 05.02.1964), ставший как и отец актёром.
Похоронен актёр 17 июня на Литераторских мостках Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.