Dessinateur dans un cabinet d´architecte à Caen, il fut formé aux Arts décoratifs de Paris. Sa peinture fut d´abord influencée par l´impressionnisme et le fauvisme. En 1908, il suivit l´attraction de Cézanne et s´installa à La Ruche. En 1910, il participa à l´exposition cubiste. Lors de sa période cubiste, il produisit Nus dans la forêt, La Noce, Les Fumées dans le toit, Paris par la fenêtre ou La femme en bleu. En 1913, il aborda la non-figuration. Il eut ensuite une période mécanique (1918-1923) avec Les fumeurs, La partie de cartes ou Le mécanicien, une période puriste (1924-1927) avant de se détacher du néo-plasticisme.
En 1940, il eut une période américaine avec Plongeurs sur fond jaune, Adieu New-York ou Les cyclistes. A son retour en France, il réalisa la série des Constructeurs, La grande parade ou Femmes au perroquet.
Un musée national lui est consacré à Biot depuis 1960 ainsi que la ferme-musée de Lisores. Il a également réalisé des décors de théâtre, des vitraux d´église, des céramiques, des mosaïques, des lithographies et des tapisseries.
Il est considéré comme le peintre de l´univers de la mécanique et des machines.