D’abord employé comme élève sans traitement, sous les ordres de son cousin Jean-Nicolas Buache, hydrographe en chef du dépôt de la Marine en 1783, Beautemps-Beaupré ne tarda pas à faire preuve de qualités exceptionnelles dans le domaine de l’hydrographie. Devenu ingénieur dès 1785, il fut l’auteur des cartes du Neptune de la Baltique, avant d’embarquer sous les ordres d’Entrecasteaux en tant que premier ingénieur hydrographe, pour aller à la recherche de La Pérouse (1791), dont on avait perdu la trace depuis 1788.
En 1789 il fut chargé du relevé des côtes de Dunkerque.
De 1791 à 1796, Beautemps-Beaupré profita donc de l’expédition pour réaliser les levés des côtes des pays visités. C’est au cours de cette mission qu’il expérimenta de nouvelles méthodes, en particulier le cercle à réflexion de Jean-Charles de Borda, et fixa les fondements qui ont fait de l’hydrographie une véritable science et qui furent bientôt adoptés par toutes les marines.
L’Appendice au voyage de D’Entrecasteaux, qui contient l’ensemble des travaux de Beautemps-Beaupré datant de cette époque, eut d’ailleurs un retentissement considérable, lors de sa parution en 1808, car celui-ci « révolutionnait les méthodes hydrographiques » utilisées jadis.
Rentré en France en 1796, il fut nommé en 1799 sous-conservateur du dépôt des cartes et plans de marine et procéda à partir de 1799 à la reconnaissance du littoral de l’Empire français. Il fut chargé, sous l’Empire puis sous la Restauration, de l’exécution de tous les grands travaux hydrographiques : ceux-ci lui valurent d’entrer en 1810 à l’Académie des Sciences. Son éloge fut lu par Léonce Élie de Beaumont en 1859.
Il fut nommé en 1814 ingénieur hydrographe en chef et dirigea de 1814 à 1838 la rédaction des nouvelles cartes des côtes de la France.
Avec Beautemps-Beaupré commença l’ère des levés côtiers méthodiques et, sous sa direction, le service hydrographique entreprit un nouveau levé complet des côtes de France.