Автор свыше 200 научных публикаций, в том числе более 20 монографий. Среди них: «Движение искусственного спутника Земли относительно центра масс» (1965), «Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле» (1975), «Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления» (1984), «Динамика космических тросовых систем» (1990), «Регулярные и хаотические движения твердых тел» (2007).
В. В. Белецким была создана теория вращательных движений искусственных и естественных небесных тел, учитывающая приливные эффекты, резонансные вращения, динамику тросовых систем. Он доказал классическую теорему об устойчивости пассивной гравитационной стабилизации; в теории космических полетов есть «уравнение Белецкого», описывающее плоские колебания спутника на эллиптической орбите; им исследовано соотношение хаотических и регулярных траекторий в прикладных проблемах нелинейной гамильтоновой динамики.