Inicia su aprendizaje como pintor decorador. Hacia 1907 se acerca a las teorías del color de Chevreul a través de la obra de Cézanne, Gauguin y Seurat. Indaga sobre el color, los contrates, el efecto de la luz y su relación con el movimiento. En 1909 se percibe la influencia del cubismo en sus primeras obras: La Tour Eiffel y L´Eglise Saint Severin, y expone con los cubistas en el “Salón de los Independientes” de 1911 y 1912. A partir de entonces se separa progresivamente de este movimiento y busca una pintura no objetiva en Les Fenêstres simultanées. Kandinsky le invita a participar en una muestra con el grupo Der Blaue Reiter en 1911, iniciando una relación sólida con los artistas alemanes, en especial con Klee y Macke. En 1912 y 1913 Apollinaire denomina a sus Disques y Formes circulaires cosmiques como orfismo, mientras Delaunay habla de simultaneísmo. Son abstracciones cromáticas muy cercanas a la obra de Kupka. En 1914 vuelve a la figuración con Homenaje a Bleriot. Se instala, junto a su mujer Sonia, en diferentes ciudades de España y Portugal durante la Primera Guerra Mundial, donde mantendrá contacto con otros refugiados como Picabia, Rivera y Gleizes, y realizará diversos trabajos artísticos, destacando los decorados para el ballet de Diaghilev. En 1921 se instala de nuevo en París. Recupera en los años veinte un cierto clasicismo y en los años treinta retoma su interés por los discos de color en Rhytmes y Jeu des disques. Su obra es un referente para el arte cinético.