W Formule 1 zadebiutował podczas Grand Prix Niemiec 1966, gdzie organizatorzy tradycyjnie dopuszczali bolidy F2 do wyścigu. Prowadząc dwunastocylindrową Matrę zajął ósme miejsce, najwyższe spośród kierowców Formuły 2.
W 1968 roku zdobył tytuł Mistrza Europy Formuły 2, wygrywając pięć z dziewięciu wyścigów i wyprzedzając w klasyfikacji generalnej drugiego fabrycznego kierowcę Matry, Henri Pescarolo o 17 punktów. Jednocześnie awansował do zespołu Matry w Formule 1 jako partner Jackie Stewarta. Swój najlepszy wynik w tym okresie – drugie miejsce – zajął w Grand Prix Francji 1969. Rok później, na tym samym torze miał szansę na zwycięstwo, lecz będąc na prowadzeniu przebił oponę, a trzy okrążenia przed metą wycofał się po awarii układu paliwowego.
Obok Formuły 1 kontynuował starty w samochodach sportowych. W styczniu 1971 roku, podczas wyścigu 1000 km Buenos Aires, spowodował wypadek w którym zginął Ignazio Giunti. W Matrze Francuza zabrakło wówczas paliwa, a próba dopchnięcia samochodu do boksów zakończyła się kolizją z nadjeżdżającym Ferrari Giuntiego. Po tym zdarzeniu licencja startowa Beltoise'a została zawieszona na kilka miesięcy.