Trascorre infanzia e giovinezza in varie città italiane a causa dei ripetuti trasferimenti del padre, impiegato di prefettura.
Nel 1901 è a Roma dove apprende il mestiere di disegnatore e illustratore frequentando lo studio di un pittore di affiches. Giacomo Balla è il suo grande maestro: è Balla a introdurre Umberto Boccioni e Gino Severini, allora giovani pittori, alla tecnica divisionista e allo studio sulla luce.
Nel 1906 Boccioni è a Parigi dove ha modo di studiare dal vero la pittura impressionista e di entrare in diretto contatto con la lezione di Cézanne. Negli anni parigini, Boccioni frequenta la colta signora russa Augusta Petrovna Popoff, moglie di Berdnicoff. Ospite dei coniugi Berdnicoff, Boccioni intraprende un viaggio in Russia che dura cinque mesi. E’ durante questo periodo che l’artista esegue il celebre Ritratto di Sophie Popoff.
Nel 1906 rientra in Italia, si iscrive all’Accademia di Belle Arti di Venezia.
Nel 1907 compie un breve viaggio a Parigi per vedere la mostra I pittori divisionisti italiani a Parigi. Alla fine dello stesso anno si trasferisce a Milano: qui studia da vicino la lezione pittorica di Giuseppe Pellizza da Volpedo e l’opera di Gaetano Previati.
Nel 1909 rimane molto colpito dal Manifesto del Futurismo, pubblicato da Filippo Marinetti il 20 Febbraio 1090 sul quotidiano parigino “Figaro”.
Nel 1909 espone alla Permanente di Milano Ritratto della Signora Virginia.
Nel Febbraio del 1910 insieme agli amici pittori Carlo Carrà e Luigi Russolo fa visita al poeta Filippo Tommaso Marinetti. Nello stesso anno sottoscrive il Manifesto dei Pittori Futuristi, firmato insieme a Balla, Russolo, Carrà e Severini, ed elabora il Manifesto Tecnico della Pittura Futurista.
Il 16 Luglio dello stesso anno inaugura a Venezia la prima personale di Boccioni a Ca’ Pesaro dove l’artista presenta 42 opere.
Dal 1911 Boccioni aderisce al movimento futurista e si fa promotore di tutte le iniziative, contribuendo personalmente con testi e interventi.
Nel 1911 va a Parigi con Carrà per organizzare la mostra dei pittori futuristi. E’ durante questo viaggio che l’amico Severini lo mette in contatto con Picasso e Apollinaire.
Nel 1912 è di nuovo a Parigi per l’inaugurazione della mostra Les Peintres Futuristes Italines alla Galleria Bernheim-Jeune. Nell’aprile dello stesso anno pubblica il Manifesto tecnico della Scultura futurista.
Nel 1914 pubblica il libro Pittura Scultura futuriste in cui teorizza alcuni concetti chiave come la visione simultanea, il dinamismo plastico, le linee forza, la forma luce.
Nel 1915, con l’ingresso dell’Italia in guerra, si arruola nel Battaglione Lombardo Volontari Ciclisti e Automobilisti. Muore nel 1916 a seguito di una caduta da cavallo.