Nel 1899 a Roma conosce Umberto Boccioni e Giacomo Balla. Quest'ultimo lo introduce alla tecnica divisionista. Frequenta la Scuola libera del nudo all'Accademia e la Scuola serale del disegno a Villa Medici. Nel 1905 organizza con Boccioni, nel foyer del teatro Costanzi la Mostra dei rifiutati, in polemica con l'esclusione dalla mostra Degli Amatori e Cultori.

Nel 1906 si stabilisce a Parigi - dove trascorre la maggior parte della sua vita - ed entra in contatto con i circoli dell'avanguardia artistica e letteraria. Conosce Pablo Picasso, Amedeo Modigliani, Max Jacob e Fort (Depero Fortunato). In Italia rimane in contatto con il gruppo di Filippo Tommaso Marinetti; scrive una monografia su Manet nella collana di Valori Plastici, dedicata all'arte moderna. L'11 febbraio 1909 viene pubblicato il Manifesto tecnico della pittura futurista che reca le firme di Boccioni, Carlo Carrà, Balla, Severini e Luigi Russolo.

Dal 1916 al 1921 passa dal purismo cubista al neoclassicismo. Nel '21 pubblica il libro Du cubisme au classicisme. Nel 1923 è presente alla Biennale romana; negli anni 1926 e 1929 partecipa a due mostre milanesi sul Novecento italiano. Nel 1928 fa ritorno a Roma: nel suo lavoro appaiono elementi tratti dal paesaggio antico della città. Nel 1929 prende parte ad una mostra a Ginevra.

Nel 1930 con il gruppo di artisti italiani di Parigi è presente alla Biennale di Venezia. Negli anni 1931 e 1935 partecipa alle Quadriennali. Sempre nel 1935 vince il Gran Premio per la pittura. Si trasferisce a Roma. Realizza una decorazione per l'Esposizione Universale di Parigi e nel 1938 espone i suoi mosaici alla Galleria della Cometa.

Muore a Parigi nel 1966. Viene sepolto a Cortona il 15 aprile dello stesso anno.