El 16 de octubre de 1793, a los catorce años de edad, ingresó como cadete en el Real Colegio de Artillería de Segovia. Terminó sus estudios como número 2 de su promoción y recibió un ascenso al grado de subteniente el 11 de enero de 1799. En 1801 fue destinado al ejército que operaba en Portugal. El 12 de julio de 1802 ascendió al grado de teniente y el 6 de abril de 1804 al de capitán. El 1 de agosto de ese mismo año entró como profesor de la Academia en la que había estudiado. Era un auténtico experto en la medición de la velocidad de los proyectiles. Permaneció como profesor hasta el 1 de agosto de 1806, fecha en la que fue nombrado secretario de la Junta Superior Económica del Cuerpo de Artillería, por lo que tuvo que trasladarse a residir a Madrid por estar allí ubicado el Estado Mayor, cargo que le permitía disponer de mucha información. Joaquín Murat intentó atraerle a la causa napoleónica, a lo que Velarde respondió que "no podía separarse del servicio de España sin la voluntad expresa del rey, de su cuerpo y de sus padres".
Tras el fracaso de su plan de levantamiento general urdido con Luis Daoiz y Torres, ya en 1808, Velarde siguió en su destino hasta que, en la mañana del dos de mayo, al escuchar los primeros disparos, lo abandonó exclamando:
Es preciso batirnos; es preciso morir; vamos a batirnos contra los franceses.
Se dirigió al Parque de Artillería de Monteleón, en el que desarmó a la guardia francesa que vigilaba que los españoles no fabricaran más munición de la normal, convenció a Daoiz de que era necesario dar armas al pueblo y entre ambos prepararon la defensa del cuartel.
Cuando Daoiz ya había caído, Velarde fue mortalmente herido por un disparo a quemarropa de un oficial de la Guardia Noble polaca. Velarde fue enterrado en la iglesia de San Martín esa misma noche junto a Daoiz y otros soldados españoles.
Asimismo cabe destacar el monumento que en recuerdo de los dos principales baluartes de la resistencia del 2 de mayo se levantó en la plaza de acceso al Alcázar de Segovia, realizado por el escultor Aniceto Marinas en 1910.
En Santander existe también una estatua que en el año 2007 fue renovada y colocada en la llamada plaza Porticada o plaza de Velarde (anteriormente estaba en los jardines de Pereda), tras unas obras de acondicionamiento del lugar. En el monumento hay una inscripción que dice: "Santander a la gloria del héroe. 1880".