Генерал-лейтенант (с 19.02.1877). Сын выходца из Силезии коллежского советника Фёдора Андреевича (Андреаса Фридриха фон) Баллюзека (1783-1849), хирурга Обуховского госпиталя в С.-Петербурге, в период Отечественной войны 1812 получившего русское дворянство, от брака с Агнесой-Матильдой Освальд (1803-1873), дочерью И.Б. Освальда. Родился в Карлсруэ. Окончил Михайловское артиллерийское училище, из которого был выпущен в 1843 прапорщиком. В том же году поступил в конную артиллерию и вскоре был причислен к штабу генерал-фельдцейхмейстера, откуда в 1849 назначен состоять при вел. князе Михаиле Павловиче. В 1849 участвовал в подавлении Венгерской революции. С января 1850 состоял при инспекторе всей артиллерии генерала Я.Я. Гилленшмите. В июле 1851 в звании поручика был командирован для производства опытов над конгреговыми ракетами на Кавказ, и за успехи в испытаниях был произведён в штабс-капитаны. Оставаясь на Кавказе два года, участвовал во многих экспедициях Дагестанского отряда (1852). 7.02.1853 прикомандирован к Петербургскому ракетному заведению, которое изготовляло ракеты и готовило кадры ракетчиков. С началом Крымской войны (1853—1856) Баллюзек состоял при штабе артиллерии Дунайской армии, занимался обучением формируемых в Бухарнесте конно-ракетных команд, отличился в боях у Калафата (1853), при осаде Силистрии (1854), а при обороне Севастополя был одним из помощников начальника артиллерии крепости. В 1854 написал статью «Несколько слов о ракетах» для задуманного Л.Н. Толстым еженедельного журнала «Военный листок», издание которого не было разрешено. Вместе с офицерами штаба артиллерии Южной армии сочинил «Севастопольскую песню». В сентябре 1855 произведён в капитаны с оставлением при штабе начальника артиллерии русской Южной армии в Крыму Н.А. Крыжановского. В 1856 награждён золотой саблей с надписью «За храбрость». С 1857 состоял офицером по особым поручениям при штабе генерал-фельдцейхмейстера.
В 1857-1858 сопровождал миссию адмирала Е.В. Путятина в Китай и Японию, участвовал в подписании Тяньцзиньского договора 1.06.1858. В июне 1858 переведён в лейб-гвардии конную артиллерию и командирован в Европу «для сбора новейших сведений по артиллерийской части». Через год назначен адъютантом к посланнику в Китае генералу Н.П. Игнатьеву. С февраля 1860 — флигель-адъютант. 15.08.1860 на баркасе фрегата «Светлана» по реке Пэйхо перешёл с Бейтанского рейда в Тяньцзинь, где подготовил резиденцию для посланника. 30.08.1860 произведён в полковники, остался в Китае после отъезда Игнатьева, чтобы наблюдать за развитием событий, связанных с тайпинским восстанием. С февраля 1861 по август 1863 — министр-резидент при пекинском дворе, первый постоянный дипломатический представитель России в Китае (до этого роль постоянного представительства выполняла Русская духовная миссия в Пекине). Вместе с послом США Ансоном Бёрлингеймом настаивал на политике невмешательства европейских держав в дела Китая и признание за Китаем права на равное участие в политическом процессе. Дипломаты, занявшие эту позицию, назывались «четверо Б» по первым буквам фамилий: Бёрлингейм, Брюс (Великобритания), Баллюзек, Бертеми (Франция). При нём была начата подготовка китайских солдат российскими инструкторами в Кяхте, также Китаю было поставлено российское оружие. В 1862 подписал Правила для сухопутной торговли между Россией и Китаем. С должности министра-резидента был уволен по болезни с оставлением в звании.
В 1865 Баллюзек был направлен на службу в Оренбург, где был назначен начальником областного киргизского управления (Малый жуз современного Казахстана). Он провёл в регионе 12 лет, осуществив значительную работу по административной организации области согласно родоплеменной структуре казахов, по организации школ и просвещению казахов. 27.03.1866 получил чин генерал-майора и зачислен в свиту Е.И.В. С января 1868 стал первым председателем Оренбургского отдела Русского Географического Общества, который рассматривал в будущем как третий центр ориенталистики в России после Академии наук и Казанского университета. С 2.01.1869 по 19.02.1877 был военным губернатором только что созданной Тургайской области. Автор исследования «Народные обычаи, имевшие, а отчасти и ныне имеющие, в Малой киргизской орде силу закона» (опубликовано в «Записках Оренбургского отдела Императорского русского географического общества», вып. II (Казань, 1871), переиздавалось в 1940-х), содержащего ценный фактический материал для изучения истории казахского права и исследующего вопросы казахского судопроизводства, уголовного и гражданского права, нормы древнего адата и нормы действующего права того времени.
В 1877 вернулся в столицу, причислен к С.-Петербургскому попечительскому совету заведений государственного призрения и назначен попечителем Обуховской больницы. За службу удостоен российских орденов Св. Владимира 4-й степ. с бантом (1854), Св. Станислава 2-й степ. с мечами (1855), Св. Анны 2-й степ. с имп. короной (1860), Св. Владимира 3-й степ. с мечами над орденом (1862), Св. Станислава 1-й степ. с мечами над орденом (1868), Св. Анны 1-й степ. (1870, имп. корона - 1872), Св. Владимира 2-й степ. (1874), а также французского офицерского креста Почётного легиона (1861) и португальского ордена св. Бенто д`Авизо (1863). Скончался в С.-Петербурге, похоронен на Смоленском евангелическом кладбище. Именем Баллюзека названы полуостров и мыс в заливе Владимира Японского моря (ныне Ольгинский район Приморского края).
От брака с Анной Александровной Лизогуб (1831-1902), дочерью украинского композитора и пианиста А.И. Лизогуба, начальницей Александровского Смольного института, имел дочерей Александру Львовну (1864-?), замужем за действительным статским советником В.А. Демидовым, и Софию Львовну (1865-?).
