ГУЛАГ отнял у Вельяминова 9 лет жизни и молодости. В 1943 году его, 16-летнего подростка, арестовали "за участие в антисоветской организации". Играть он начал в лагерной самодеятельности, где пел, читал стихи, а также исполнил свою первую роль - Максима Кошкина в "Любви Яровой".
После освобождения в 1952 году Вельяминов три года проработал в Абакане на лесосплаве, и только счастливый случай помог ему войти в труппу драматического театра Абакана. С 1955 года он работал в Тюменском областном драматическом театре. Не раз Вельяминов менял города и, как следствие, театры. "Я бесконечно дорожу этим опытом", - говорит актер, вспоминая о работе в провинции. Однако "моим домом всегда была Москва", добавлял он.
В 1972 году Вельяминов вернулся в столицу работать в театре "Современник", играл в первом режиссерском спектакле Галины Волчек "Восхождение на Фудзияму" и многих других постановках. Через два года перешел работать в Театр-студию киноактера.
Сменив театр на кино, Вельяминов снялся во множестве фильмов. По-настоящему знаменит он стал в 1974 году, когда на экраны страны вышла эпопея "Тени исчезают в полдень". Главного героя - Захара Большакова - зрители обожали. "Кино вскружило мне голову", - признавался впоследствии актер. Самые известные фильмы с его участием: "Вечный зов", "Пираты 20 века", "Возвращение резидента". Его герои были скупы на внешние проявления чувств, но Вельяминова обожали за его глаза, в которых были сила, надежность и притягательность. В популярном сейчас жанре киносериала актеру также довелось себя попробовать. "Зимняя вишня" и "Бандитский Петербург" с успехом шли на телевидение во многом благодаря этому красивому актеру. В картине "Ермак" Вельяминов сыграл яркую роль казака Милентия.
Сейчас актер играет в Петербургском театре комедии им.Н.П.Акимова и продолжает сниматься в кино.