Учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества (МУЖВЗ) в 1898-1910 (с перерывами) у Исаака Левитана, Константина Коровина, Валентина Серова. В 1900-е познакомился с современными течениями европейской живописи в московских собраниях Сергея Щукина и Ивана Морозова, а также во время поездки в Париж и Лондон.
Участник выставок МУЖВЗ, Товарищества передвижных художественных выставок, Союза русских художников, объединения «Мир искусства», «Золотое руно», «Венок», Осеннего салона в Париже, Биеннале в Венеции (1890-1900).
Инициатор и автор названия выставок предавангардного искусства «Бубновый валет» (1910), «Ослиный хвост» (1912), «Мишень» (1913), «№ 4» (1914). Принимал участие в выставках искусства авангарда: «Союз молодежи», «Трамвай В», «Синий всадник» в Мюнхене.
Смена этапов в творчестве Ларионова от импрессионизма к примитивизму и затем лучизму отражает динамику распространения новаторских тенденций в России в начале 1900-х – конце 1910-х годов. К 1912 художник создал новую художественную концепцию — лучизм, который стал одним из первых направлений абстрактного искусства. В 1914 был призван на военную службу в связи с началом Первой Мировой войны, вскоре комиссован по ранению. В 1915 Ларионов и Гончарова уехали из России, приняв предложение Дягилева о совместной работе для «Русских Сезонов».
С 1919 Гончарова и Ларионов поселились в Париже, где жили и работали вплоть до самой смерти. После смерти Дягилева в 1929 работа по оформлению постановок прервалась, однако в дальнейшем художники часто сотрудничали с театрами Европы и Америки, не оставляя занятий живописью и графикой, участвовали в выставках.

Произведения Ларионова хранятся в Государственной Третьяковской галерее, ГРМ, музеях Парижа, Лондона, Нью-Йорка и других музейных и частных коллекциях.