Paul Delvaux nasce a Antheit, in Belgio, il 23 settembre 1897. Studia architettura all’Académie Royale des Beaux-Arts di Bruxelles nel 1916-17 e decorazione nel 1918-19. All’inizio degli anni venti risente dell'influenza di James Ensor e Gustave De Smet. Nel 1936 espone con René Magritte, anche lui del gruppo belga Les Compagnons de l’Art, al Palais des Beaux-Arts di Bruxelles.

Nel 1938 tiene personali al Palais des Beaux-Arts di Bruxelles e alla London Gallery a Londra, quest’ultima organizzata da E.L.T. Mesens e Roland Penrose. Lo stesso anno partecipa all'“Exposition Internationale du surréalisme” alla Galerie des Beaux-Arts di Parigi, allestita da André Breton e Paul Éluard, e a una rassegna dal medesimo titolo alla Galerie Robert di Amsterdam. Nel 1938-39 visita l’Italia. Nel 1944-45 si tiene la sua prima retrospettiva al Palais des Beaux-Arts di Bruxelles. Nel 1947 disegna scenografie per l’Adame Miroire di Jean Genet e collabora con Éluard al libro Poèmes, peintures et dessins, pubblicato l’anno successivo a Ginevra e Parigi. Dopo un breve soggiorno in Francia nel 1949, è nominato professore all’École Supérieure d’Art et d’Architecture di Bruxelles nel 1950, incarico che manterrà fino al 1962. A partire dai primi anni cinquanta realizza, su commissione, molte pitture murali in Belgio. Verso il 1955 si trasferisce a Boitsfort e nel 1956 visita la Grecia.

Dal 1965 al 1966 è presidente e direttore dell’Académie Royale des Beaux-Arts del Belgio e nello stesso periodo realizza le prime litografie. Sue retrospettive vengono allestite al Palais des Beaux-Arts di Lille nel 1965, al Musée des Arts Décoratifs di Parigi nel 1969 e al Museum Boymans-van Beuningen di Rotterdam nel 1973, anno nel quale gli viene conferito il Premio Rembrandt del Johann Wolfgang Stiftung. Nel 1975 viene allestita una sua retrospettiva al Museo Nazionale d’Arte Moderna di Tokyo e al Museo Nazionale d’Arte Moderna di Kyoto. Nel 1977 diventa socio dell’Académie des Beaux-Arts di Francia. L’artista muore a Veurne, Belgio, il 20 luglio 1994.