Il suo esordio di scrittrice avvenne nel 1939 con la nota psicobiografia Lucrezia Borgia. I suoi libri di argomento storico sono innanzitutto basati su una ricca e minuziosa ricerca storica, attraverso la consultazione dei documenti originali esistenti, a partire dai quali la Bellonci era abilissima nel ricostruire un ritratto vivido e credibile dei personaggi storici descritti. La sua opera acquistò così un preziosissimo valore divulgativo, portando al grande pubblico una versione umana e storicamente documentata, scevra delle numerose leggende accumulatesi nei secoli, di personaggi lontani nel tempo ma molto affascinanti, come i Borgia, gli Este, i Gonzaga, i Della Rovere, oppure Marco Polo, che fu anche oggetto di uno sceneggiato televisivo Rai curato da lei stessa. Fu all'interno del suo salotto letterario, denominato gli "Amici della domenica", che nacque il Premio Strega, la cui genesi fu rievocata dalla Bellonci in Come un racconto gli anni del premio Strega (1970). Nel 1979 ha ricevuto il Premio San Gerolamo. Nel 1986, anno della sua scomparsa, lei stessa vinse tale premio con Rinascimento privato biografia di Isabella d'Este, scritta in forma di romanzo autobiografico e che rappresenta il suo capolavoro. Dal suo romanzo Segreti dei Gonzaga e dal racconto Delitto di Stato contenuto in Tu vipera gentile è stato tratta nel 1982 la miniserie televisiva Delitto di stato,