Frequentou a Academia Real de Belas Artes de Lisboa (1905-1906), antes de partir para Paris, onde viveu entre 1906 e 1914, frequentando os ateliês dos artistas Godefro e de Freynet e as aulas de Anglada-Camarasa na Académie Vitti.

Iniciou carreira como caricaturista, colaborando com várias publicações periódicas, entre as quais O primeiro de janeiro, Ilustração popular, Ilustração portuguesa, Les tendandes nouvelles e La vie.

Nos anos de Paris conviveu com outros artistas portugueses, como Manuel Bentes (1885-1961), Emmerico Nunes (1888-1968), Francis Smith e Eduardo Viana (1881-1967). Estabeleceu uma relação de amizade com o pintor italiano Amedeo Modigliani (1884-1929), conheceu o escultor romeno Constanti Brancusi (1876-1957) e o russo Alexander Archipenko (1887-1964). Frequentou a casa do italiano Umberto Brunelleschi (1879-1949), onde terá encontrado o pintor e crítico de arte americano Walter Pach (1883-1958), relevante na divulgação da sua obra em território norte-americano.

Também em Paris travou conhecimento com o casal Robert (1885-1941) e Sonia Delaunay (1885-1979).

Considerado o introdutor do modernismo em Portugal, desenvolveu atividade expositiva desde 1911, individualmente e em grupo, em Portugal e no estrangeiro. Regressado à terra natal em 1914, aí permaneceu durante os anos que durou a I Guerra Mundial, morrendo antes do final do conflito vítima do mortífero surto de gripe espanhola, em 25 de outubro de 1918, com apenas 30 anos.

Das exposições individuais realizadas após a sua morte, destacam-se as que foram organizadas pela Fundação Calouste Gulbenkian, ou com a sua participação: Amadeo de Souza-Cardoso, 1887-1918, mostra coorganizada pela Réunion des musées nationaux, no âmbito da comemoração do cinquentenário da Delegação em França (Grand Palais, Paris, 2016); Sob o signo de Amadeo: um século de Arte (Centro de Arte Moderna, 2013-2014); Amadeo de Souza Cardoso: diálogo de vanguardas (Fundação Calouste Gulbenkian, 2006-2007); Exposição temática da galeria à poesia: Amadeo de Souza-Cardoso (Centro de Arte Moderna, 2001); Amadeo de Souza-Cardoso: a primeira descoberta de Portugal na Europa do século XX (Centro de Arte Moderna, 1983).

Relativamente às exposições coletivas, para além das 2.ª, 5.ª e 11.ª bienais de São Paulo (1953, 1959 e 1971) e da Exposição internacional de arte moderna – Armory Show (Nova Iorque, 1913), a sua obra integrou diversas exposições organizadas pela Fundação Calouste Gulbenkian: Portugal em flagrante: operação 1 (Centro de Arte Moderna, 2016-2017); Linhas do tempo. As Coleções Gulbenkian. Caminhos contemporâneos (2016-2017); O círculo Delaunay (Centro de Arte Moderna, 2015-2016); As casas na colecção do CAM (Centro de Arte Moderna, 2015-2016); Olhos nos olhos: o retrato na colecção do CAM (2015); Arshile Gorky e a colecção (Centro de Arte Moderna, 2014-2015); As idades do mar (2012); Casa comum: obras da colecção do CAM (2011); Heimo Zobernig e a colecção do Centro de Arte Moderna da Fundação Calouste Gulbenkian (2009); À luz de Einstein (2006); Auto-retratos da colecção (Centro de Arte Moderna, 1999); Linhas de sombra (Centro de Arte Moderna, 1999); Hors catalogue: un projet Gulbenkian à propos de sa collection (Maison de la Culture d’Amiens, 1996); Desenhos do corpo (Museu José Malhoa e Centro de Arte Moderna, 1995-1996); Oito décadas de pintura portuguesa: colecção da Fundação Calouste Gulbenkian (Guiness Hop Store, Dublin e Museu de Arte da Baía, 1993); Portuguese contemporary painting: collection of the Modern Art Centre, Calouste Gulbenkian Foundation (National Gallery of Modern Art, Nova Déli, 1992); A terra e o homem (1989); Images du Portugal: 3 peintres: Souza-Cardoso, Pomar, Paula Rego (Galerie de Montbenon, Lausanne, 1988); Arte contemporáneo portugués (Museu Espanhol de Arte Contemporânea, Madrid, 1987); 20 pintores portugueses del Centro Arte Moderna, Fundación Calouste Gulbenkian (Centro Cultural Caja de Ahorros Municipal de Vigo, 1984); Le dessin au Portugal (1900-1940) (Centro Cultural Português, Fundação Calouste Gulbenkian, Paris, 1981); Arte portuguesa contemporânea (1977); Os pioneiros da arte moderna portuguesa: exposição evocativa dedicada ao Congresso Internacional AICA (Sociedade Nacional de Belas Artes, 1976); Pintura portuguesa de hoje: abstratos e neofigurativos (1973); Sónia e Robert Delaunay em Portugal: e os seus amigos Eduardo Vianna, Amadeo de Souza-Cardoso, José Pacheco, Almada Negreiros (1972); Algumas obras de pintura contemporânea das coleções da Secretaria de Estado da Informação e Turismo e da Fundação Calouste Gulbenkian (1971); Aquisições da Fundação Calouste Gulbenkian em Paris: Columbano, Sousa Lopes, Francisco Smith, Souza Cardoso, Vieira da Silva (1969); Art portugais: peinture et sculpture du naturalisme à nous jours (1967-1968).

Em 1947 foi fundado o Museu Amadeo de Souza-Cardoso, em Amarante (reúne diversas obras do pintor) e em 1935 o então Secretariado da Propaganda Nacional criou o Prémio Souza-Cardoso.

Em 2012, com o apoio da Fundação Calouste Gulbenkian, foi apresentado na RTP2 o programa À velocidade da inquietação: Amadeo de Souza Cardoso, 1887-1918.

A sua obra integra as coleções públicas de vários museus portuguesas, como o Centro de Arte Moderna da Fundação Calouste Gulbenkian; o Museu Nacional de Arte Contemporânea; o Museu Municipal Amadeo de Souza Cardoso (Amarante), e estrangeiros: o Centre Georges Pompidou (Paris) e o Museum of Modern Art (Chicago).

Em 2007 e 2008, respetivamente, a Fundação Calouste Gulbenkian publicou os 2 volumes do seu catálogo raisonné: Amadeo de Souza Cardoso: fotobiografia: catálogo raisonné e Amadeo de Souza Cardoso: pintura: catálogo raisonné.

A parte do espólio do artista à guarda de sua mulher, Lucie Sousa Cardoso, foi doado à Fundação Calouste Gulbenkian em 1987, integrando o acervo da Biblioteca de Arte. Este espólio é constituído por 1.695 manuscritos, 713 fotografias, 658 recortes de imprensa, 196 monografias, 27 publicações periódicas e 8 objetos pessoais.