Fils d’un avocat de Bruxelles, Paul Delvaux étudie tout d’abord l’architecture, puis la peinture à l’Académie des Beaux Arts de Bruxelles entre 1920 et 1924. Il reçoit une formation de peinture classique, nourrie d’une double admiration pour Ingres et David. Après des études à l'Académie royale des Beaux-Arts de Bruxelles où il se forme au dessin avec le peintre symboliste Jean Delville et à la peinture décorative avec Constant Montald, il réalise des tableaux post-impressionnistes, puis expressionnistes, influencés, notamment, par James Ensor. Son univers favori est la gare de chemin de fer.

Ses premières œuvres de 1920 sont des marines postimpressionnistes, elles ont presque toutes disparu à la suite de leur destruction par Delvaux lui-même, qui ne gardera encore que quelques-unes de ses œuvres immédiatement postérieures (à partir de 1924), influencées par l’expressionnisme de Permeke et de Smet. Cependant, à chacun des changements d'inspiration, Paul Delvaux détruit ses tableaux (1920-24).

En 1934, Delvaux découvre l’art de De Chirico au cours de son exposition à Bruxelles et c’est un nouveau point de départ déterminant : il devient surréaliste. Sans jamais faire partie du groupe d’André Breton, il expose cependant à ses côtés. Il découvre également l’œuvre de Magritte, qui lui révèle la puissance de choc du déplacement des objets et des êtres hors de leur contexte logique.  

Delvaux expose à l’Exposition Internationale du Surréalisme à Paris en 1938. Néanmoins, ce n’est qu’en 1945 qu’une première grande rétrospective au Palais des Beaux Arts de Bruxelles révéla l’œuvre de Delvaux au grand public. Invité plusieurs fois à la biennale de Venise, le Musée des Arts Décoratifs de Paris lui consacre une vaste rétrospective.

Dès ses premières œuvres: L’Harmonie ou Les filles de la forêt ou Les Femmes devant la mer, on constate un goût pour les poses hiératiques et les gestes suspendus qu’il avait peut être remarqués dans les œuvres de Munch et Hodler. Durant cette première période, de 1936 à 1939, se définit le monde de Delvaux, monde angoissant où les jeunes femmes, la plupart du temps nues, marchent sans but, dans un décor aux perspectives souvent closes.

L’angoisse nait de cette répétition des lieux et des personnages hiératiques qui les peuplent. Univers inspiré des romans de Jules Verne et iconographie tirée de l’œuvre de Botticelli. C’est le thème du voyage initiatique, qui jalonne tout l’œuvre, à la quête d’un paradis perdu, catharsis de désirs sourds et inassouvis.

Claude Spaak nomme « période italienne » les œuvres de 1939 à 1944 : à la suite de deux voyages en Italie, Paul Delvaux situe ses sujets dans des décors antiques. Durant ces années, il est aussi influencé par Ensor et ses squelettes.

En 1945 – 1946, l’influence de l’Ecole de Paris se fait ressentir dans la peinture de Delvaux. Invité à deux reprises à la Biennale de Venise (1948 et 1954), le clergé italien censure cependant ses toiles.

Il a peint de grandes compositions murales comme celles du Casino-Kursal d'Ostende, du Palais des Congrès de Bruxelles, de l'Institut de Zoologie à Liège. Ou encore, lors de L'exposition universelle de 1958 ou Expo 58, il réalisa avec ses élèves, La Carte littéraire de Belgique, une œuvre que le Ministre de la Culture Française, Henri-François Van Aal, installa en 1976 dans la salle de lecture des Archives et Musée de la Littérature, au troisième étage de la Bibliothèque royale de Belgique.

Élu correspondant de l'Académie royale de Belgique le 5 juillet 1956, Paul Delvaux en est ensuite élu membre, le 3 juillet 1958. Il reçoit également une faveur nobiliaire du roi des Belges mais n'y donna pas suite. Dans le village de Saint-Idesbald, dans la commune flamande de Coxyde, sur la côte belge où il a vécu longuement depuis 1945, on trouve, depuis 1982, un musée privé qui lui est consacré. Attenant à la Fondation Paul Delvaux, fondée de son vivant par l'artiste lui-même, ce musée renferme la plus importante collection, au monde, de toiles, dessins et estampes de Paul Delvaux.