À partir de 1893, Raoul Dufy suit les cours du soir de Charles Lhuillier à l'École Municipale des Beaux-Arts du Havre. Il obtient en 1899, une bourse de la ville du Havre, qui va lui permettre d’être admis dans l’atelier de Léon Bonnat, à l’Ecole Nationale des Beaux-Arts de Paris. Il s’installe alors avec son ami et compatriote du Havre, Emile Othon Friesz, avec lequel il partagera ensuite un atelier à Montmartre et qui restera un de ses plus fidèles amis.

Sa première exposition au Salon des Artistes français a lieu en 1901. Deux ans plus tard, il participe à une exposition de groupe dans la nouvelle galerie de Berthe Weill à Montmartre où il exposera régulièrement au cours des années suivantes. En 1903, il participe également au salon des Indépendants. Il y est remarqué par la critique qui décèle chez lui « un coloriste de tempérament ». A cette occasion il rencontre Georges Braque avec qui il participe à l’exposition du Cercle de l’Art Moderne, organisée par Friesz au Havre en 1906, aux côtés de Derain, Manguin, Matisse et d’autres peintres moins connus.

Influencé par le fauvisme et en particulier par l’œuvre de Matisse, Dufy travaille avec Friesz, Lecourt et Marquet sur des tableaux de rues pavoisées de drapeaux, de fêtes de village et de plages.

En 1908, prenant conscience de l'importance capitale de l’apport de Cézanne au cours de sa grande rétrospective de 1907, il abandonne le fauvisme. Il exécute alors des études d'arbres, de chevaux, de modèles en atelier, des natures mortes. Cette même année, il se rend à l'Estaque, près de Marseille avec Georges Braque. Ils peignent, souvent côte à côte, les mêmes motifs que Cézanne. Il séjourne dans la « Villa Médicis libre » (qui accueille des jeunes peintres dépourvus de ressources) à Orgeville avec André Lhote et Jean Marchand. En leur compagnie, Dufy s’oriente vers des constructions influencées par les débuts du cubisme de Braque et de Picasso, néanmoins, il reste attaché à la lisibilité de ses toiles et ne s’intéresse que de loin à l’abstraction. Ses couleurs gagnent en éclat et en diversité.

Sous l'impulsion de Paul Poiret, qui a été impressionné par les gravures du Bestiaire qu’il réalise pour Apollinaire en 1910, Raoul Dufy se lance dans la création de motifs pour les tissus de mode et de décoration. Avec Paul Poiret, il monte une petite entreprise de décoration et d'impression de tissus,  La Petite Usine. Il y imprime ses premières tentures et étoffes. Un an plus tard, il est engagé par la maison de soieries lyonnaise Bianchini-Ferrier pour laquelle il créera d'innombrables motifs d'après ses thèmes favoris (naïades, animaux, oiseaux, fleurs, papillons...), qui seront mis en carte pour le tissage sur les métiers Jacquard. Cette collaboration se prolongera jusqu'en 1930.

C’est à cette période qu’il commence à fréquenter les champs de courses; il prend rapidement goût au spectacle des foules, des chevaux et des mouvements.

Dufy voyage beaucoup. Il découvre l’Italie (Venise, Florence, Rome, Naples, la Sicile) puis le Maroc et l’Espagne. Il admire les tableaux de Titien au Musée du Prado. Il voyage également en Belgique et en Angleterre. Il séjourne à Nice de 1925 à 1929 avec son épouse. Dufy excelle aussi dans la composition de décors et costumes de théâtre pour la Comédie française et illustre de lithographies de très nombreux ouvrage littéraires. Il est promu au grade de commandeur de la Légion d'honneur.

Dufy s’intéresse de près aux moyens optiques et réalise que, pour l’œil, les couleurs n’appartiennent pas indéfectiblement à une chose : ce ne sont pas des qualités qui n’auraient pas d’existence hors une substance. Elles ont leur vie propre, débordent les objets, et cela surtout dans l’expérience de la perception du mouvement. D’où l’usage de ce que Pierre Cabanne appelle « les flaques de couleurs juxtaposées ». La dissociation entre la couleur et le dessin est parfois très poussée, et Dufy installe souvent les objets réduits à un contour sur trois ou quatre larges plages colorées. L’histoire veut que ce procédé se soit révélé  à l’artiste en 1926 en regardant une petite fille courrant sur le quai de Honfleur. Il aurait alors compris que l’esprit enregistre plus vite la couleur que le contour. Il va alors dissocier les couleurs du dessin. Il ajoute ainsi des bandes de couleurs (généralement trois) horizontales ou verticales, ou bien de larges taches colorées à ses oeuvres.

En 1936-1937, aidé par son frère Jean Dufy, il réalise pour le Pavillon de l'Électricité de l’Exposition Internationale, la plus grande peinture existante au monde : La Fée Électricité (624 mètres carrés) aujourd'hui visible au Musée d'Art Moderne de la Ville de Paris et dont un travail préparatoire est présent dans la Collection Gérard Oury.

En 1937, Raoul Dufy est atteint des premiers symptômes d'une maladie douloureuse et invalidante : la polyarthrite rhumatoïde. Réfugié dans le sud de la France au début des années 1940, il peint les cartons pour les grandes tapisseries Collioure et Le bel été. En 1952, plus de quarante de ses œuvres sont envoyées par la France à la Biennale de Venise. Dufy y remporte le Prix de Peinture et en offre le montant à un peintre italien et à Charles Lapicque pour qu’ils puissent séjourner l’un en France et l’autre à Venise. Dufy s’installe enfin à Forcalquier en Haute Provence. C’est là qu’il meurt le 23 mars 1953.