Robert-Victor-Félix Delaunay nasce a Parigi il 12 aprile 1885. Nel 1902, finite le scuole superiori, lavora come apprendista in un laboratorio di scenografia. Nel 1903 comincia a dipingere e già nel 1904 espone al Salon d'Automne (vi espone anche nel 1906) e al Salon des Indépendants (vi espone fino alla Prima guerra mondiale). Tra il 1905 e il 1907 stringe amicizia con Henri Rousseau e Jean Metzinger e studia le teorie sul colore di Michel Eugène Chevreul. In questo periodo dipinge in uno stile neoimpressionista, ma risente anche dell'influenza di Paul Cézanne. Svolto il servizio militare a Laon, nel 1907-08 ritorna a Parigi, dove entra in contatto con il Cubismo. Tra il 1909 e il 1910 sviluppa un proprio stile e nel 1909 dipinge la prima Tour Eiffel. Nel 1910 sposa la pittrice Sonia Terk, sua collaboratrice in molti progetti artistici.

La sua collaborazione con l'avanguardia in Germania inizia nel 1911, anno in cui Vasily Kandinsky lo invita a partecipare alla prima mostra del Blaue Reiter (Cavaliere azzurro) a Monaco. In questo periodo diventa amico di Guillaume Apollinaire, Henri le Fauconnier e Albert Gleizes. Nel 1912 tiene la sua prima personale alla Galerie Barbazanges di Parigi e inizia la serie delle Finestre. Nel 1913 dipinge i primi Dischi o Forme circolari, opere completamente astratte.

Dal 1914 al 1920 vive in Spagna e in Portogallo e stringe amicizia con Sergeij Djaghilev, Igor Stravinsky, Diego Rivera e Leonide Massine. Verso il 1920 torna a Parigi, dove due anni dopo tiene una mostra alla Galerie Paul Guillaume e inizia una seconda serie di Tour Eiffel. Nel 1924 si dedica alla serie dei Corridori. Nel 1925 esegue delle pitture murali per il Palais de l'Ambassade de France all'Exposition Internationale des Arts Décoratifs di Parigi. Nel 1937 completa le pitture murali per il Palais des Chemins de Fer e per il Palais de l'Air all'Exposition Internationale des Arts di Parigi. Le sue ultime opere sono le decorazioni per la sala della scultura del Salon des Tuileries nel 1938. L’artista muore a Montpellier il 25 ottobre 1941.