Frère de Jacques Villon, de Suzanne Duchamp et de Marcel Duchamp, Raymond Duchamp-Villon naquit dans une famille d’artistes. Il commence des études de médecine, interrompues en 1898 par de graves crises de rhumatismes, qui le laissent partiellement handicapé. Influencé par l’exemple de ses deux frères peintres, il se forme seul à la sculpture durant ses périodes d’interruption d’études, y montrant d’emblée des dons remarquables.

De 1902 à 1908, il expose à Paris, notamment au Salon de la Société Nationale des Beaux Arts où il présente des bustes, des statues, et un Nu couché de 1904. En 1905, il expose ensuite au Salon d'automne et à la Galerie Legrip à Rouen avec son frère Jacques.

Puis à partir de 1909, il expose régulièrement aux Salons d’Automne et des Artistes Indépendants.

Dès 1910, il met en œuvre, dans Le Torse de jeune homme, des moyens qui expriment le dynamisme du corps, non plus grâce à un procédé d’analyse de l’effort musculaire, mais à l’inverse, par une alternance rythmée des formes, dont l’ensemble se développe dans l’espace, imposant au regard qui les suit, la lecture d’un mouvement qui se déroule dans le temps.

En 1911, les trois frères Duchamps emménagent à Puteaux en banlieue parisienne où ils font partie des réunions régulières du groupe d’artistes et de critiques connu depuis sous le nom de Groupe de Puteaux, qui comptait notamment Fernand Léger, Albert Gleizes, Jean Metzinger. Au sein du Groupe de Puteaux, également connu sous le nom de Section d'Or, Raymond Duchamps-Villon est en contact avec les cubistes qui l’influencent, il devient alors le premier sculpteur cubiste.

En 1912, commencent ses recherches sur les procédés permettant de doter une structure statique d’un effet dynamique.

A cette époque il s’intéresse au cheval, non en tant qu’animal, mais plutôt en tant qu’entité symbolique de la puissance motrice.

Certainement informé de la recherche de l’expression plastique-statique du mouvement par les futuristes italiens, il a peut être influencé Boccioni de passage à Paris.

Par la synthèse du dynamisme et du statique au sein de l’œuvre, il s’oppose à la fuite du temps, à l’échéance de la mort. Il décompose les mouvements du galop indépendamment de l’apparence animale.

Son cheval est bien plus proche du « cheval-vapeur » de la thermodynamique, que de l’animal, ou plutôt ni l’un ni l’autre.

Il est pur mouvement, symbole de la substitution de la puissance de la machine aux forces d’origine naturelles, de la substitution du piston au muscle et peut être aussi dans son esprit en même temps que symbole exaltant de la puissance mécanique, symbole effrayant de la puissance destructrice de la guerre moderne. 

En 1912, il participe au Salon de la Section d’Or, organisé par Jacques Villon, à la galerie La Boétie.

La guerre interrompt sa carrière artistique. Mobilisé, puis réformé dans un premier temps, il s’engage comme médecin-auxiliaire. Parallèlement, il peut poursuivre son travail et réalise alors ses œuvres majeures, notamment Le Cheval, dont un original est aujourd’hui exposé à l'Institut d'art de Chicago.

Il est ensuite envoyé sur le front de Champagne, où il contracte la fièvre typhoïde dont il guérit mal. Séjournant en convalescence à Cannes, il y meurt de septicémie à l’âge de 41 ans.