Ud over det 35 meter høje tårn består konstruktionen også af en sydvendt, sekskantet bastion, hvorfra fjenden kan rammes med geværer. Bastionens indre er indrettet som en kasemat med 3,5 meter tykke mure og sytten kanoner. På hvert hjørne af bastionen er en bartizan – et lille, udvendigt vagttårn. Yderligere seks bartizaner findes på selve tårnet – fire på toppen og to i samme højde som bastionen. Under en af bartizanerne er en skulptur af et næsenhorns hoved. Skulpturen menes at afbilde et virkeligt eksemplar, der i 1513 blev sejlet til Lissabon fra Indien og foræret til kongen, som senere skænkede dyret – udstoppet – til paven . Der havde dengang ikke været et næsehorn i Europa siden Romerrigets tid.
Belémtårnet blev bygget i årene 1515-1521 som en tilføjelse til kong Johan 2. af Portugals forsvarssystem. Før da blev Tajo-floden forsvaret af skibetGrande Nau, som efter Belémtårnets opførelse blev deplaceret. Belémtårnets arkitekt var Francisco de Arruda, som tidligere havde stået for opførelsen af adskillige fæstningsværker i de portugisiske besiddelser i Marokko, og derfor er Belémtårnet delvist udført i maurisk stil.
I 1840'erne lod kong Ferdinand 2. af Portugal på anmodning fra den portugisiske digterAlmeida Garrett tårnet restaurere, og der blev gjort visse tilføjelser til tårnets prydelser. I 1910 blev Belémtårnet officielt erklæret for at være et portugisisk nationalmonument.