1983'te Ankara'da doğdu. Küçük yaştan itibaren oyunculukla iç içe oldu. İlkokulu Salih Alptekin İlkokulu'nda okuduktan sonra babasının tayini nedeniyle İskenderun'a taşındı. Burada iki yıl kaldıktan sonra tekrar Ankara'ya dönüş yapan Belçim Bilgin, burada buz patenine başladı. Ancak ağır bir trafik kazası geçiren Belçim Bilgin'in buz pateni rüyası sona erdi. Bundan sonra tiyatroya yöneldi. Ortaokul ve lisede çeşitli tiyatro oyunlarında rol alan Bilgin, eğitimine Hacettepe Üniversitesi'nde devam etti. 2002'de Bilgi-Belge Yönetimi Bölümünde eğitimine devam ederken, Sıfır Kilometre adlı sinema filminde rol aldı. Bu dönemde okulunu dondurup Paris'e yerleşen oyuncu, 2 sene sonra Türkiye'ye geri döndü ve Dol adlı filmde rol aldı. 2007 yılında Hatırla Sevgili adlı televizyon yapımında boy gösterdi. 2008 yılında Tomris Giritlioğlu'nun yönetmenliğini üstlendiği Güz Sancısı filminde küçük bir rol kapan oyuncu daha sonra, 2010 yılında Aşk Tesadüfleri Sever filminde başrolü Mehmet Günsür'le paylaştı.
2012-2013 yılları arasında peş peşe Kurtuluş Son Durak, Gergedan Mevsimi ve Sadece Sen filmlerinde rol alan Bilgin, yine 2013 yılında eşi Yılmaz Erdoğan'ın senaryosunu, yönetmenliğini ve başrolünü üstlendiği Kelebeğin Rüyası filminde rol aldı. 2018'de gösterime giren Rüzgar filminde başrolü Halil Sezai Paracıkoğlu ile paylaştı. Aynı yıl, başrolünde Theo James ve Ben Kingsley gibi ünlü Hollywood oyuncularının da bulunduğu Komplo (Backstabbing for Beginners) filminde oynadı.
2006 yılında oyuncu-senarist-yönetmen Yılmaz Erdoğan ile evlenen Belçim Bilgin, 2009 yılında Rodin Nazım Erdoğan adında bir erkek çocuk dünyaya getirdi. 2018 yılında eşinden ayrılan oyuncu, evlilik süresince Belçim Bilgin Erdoğan adıyla da anılmıştı.