Se forma en Sevilla con su tío Francisco Pacheco, canónigo de la catedral. Hombre de gran cultura, aglutina en torno a sí al centro de la vida artística sevillana, desarrollando con ellos una importante labor teórica. Su estilo pictórico está vinculado al tardomanierismo italiano y al de algunos manieristas españoles entre los que se encuentran Pablo de Céspedes, Alonso Vázquez y Sánchez Coello: ejemplo de pintura posterior al Concilio de Trento, en él los efectos artísticos quedan supeditados a los doctrinales, buscando así un perfecto equilibrio entre forma y contenido, tal y como se aprecia en la serie de lienzos pintados para el claustro del convento sevillano de la Merced. Hacia 1610 inicia un viaje por Castilla que le lleva a conocer la obra de Carducho y El Greco entre otros.

En 1618 su hija contrae matrimonio con Velázquez, antiguo alumno suyo, pintando entre 1625 y 1626 la que es su gran obra: la Inmaculada realizada para la iglesia de San Lorenzo de Sevilla, lienzo de gran perfección técnica. El nuevo estilo pictórico introducido en la capital andaluza por artistas como Zurbarán o Herrera el Viejo, supone el declive de su pintura, centrando su actividad en su labor como tratadista y teórico. En 1649 publica El arte de la pintura, considerada la mejor fuente de información sobre la época; en ella se presta especial atención al problema del decoro y al de la iconografía, siempre dentro de la tradición contrarreformista, ya que en 1618 había sido nombrado censor de arte de la Inquisición. Su obra se encuentra representada en el Museo del Prado de Madrid y en el Museo de Bellas Artes de Sevilla.