Egy konzervatív középosztály-béli családba született Lausanne-ban, és ott végezte iskoláit is. 17 éves korában Párizsba ment, ahol művészeti tanulmányokba fogott, és a Julian Akadémián tanult Jules Joseph Lefebvre-nél és Gustave Boulanger-nál. Rengeteg időt töltött a Louvre-ban, ahol Holbein, Dürer és Ingres műveit tanulmányozta és másolta; ezek a festők maradtak egész életében a példaképei. Első képein még határozottan felismerhetők az akadémikus tradíciók. Monsieur Ursenbach portré című képét az 1885-ös Szalonon mutatta be. A következő évben saját Önarckép-ét állította ki, amit elismeréssel fogadtak. Ezután festett, kritikákat írt a Gazette de Lausanne számára és rézkarcokat készített. 1891-ben a Salon des Indépendants-on Toulouse-Lautrec, Van Gogh, Henri Rousseau képeire figyelt fel, és ezek hatása alatt festette meg első jelentős képeit. A következő kiállításon G. Seurat pointillista stílusát követve állított ki. 1891-ben készítette első fametszetét Paul Verlaine-ről. A számára új magasnyomásos technikát alkalmazó médium (az addig alkalmazott rézkarc mélynyomásos technika) megtetszett neki, és módszerét folyamatosan tökéletesítve az évtized folyamán fametszetek sorozatát készítette, amik folyóiratokban és könyvekben jelentek meg. Ami addig az újság illusztráció és a kereskedelmi reklám fantáziátlan eszköze volt, azt ő ismét a művészet szintjére emelte. Fametszetei új megoldásokat mutattak az addigi gyakorlattal szemben: a rajzok körvonalait idéző kontúrokat és hangsúlyos fekete-fehér foltokat alkalmazott nyomatain, a vonalkázós stílust nem alkalmazta. A japán fametszetek befolyása is felfedezhető rajtuk. Utóbbit az École des Beaux-Arts 1890-es kiállításán fedezte fel magának. Az 1896-ban megjelent Maszkok könyvé-t, Rémy de Gourmont kötetét egy sor szimbolista portréval illusztrálta.

Festményeire, a nagy technikai felkészültség és száraz realizmus jellemző, amely még a meghitt jeleneteket ábrázoló képein is felfedezhető. Az 1890-es években fametszetei visszahatottak a festményeire: kontúrokat és – a részleteket leegyszerűsítendő – nagyobb, összefüggő színfoltokat festett. A Nabis-hoz tartozott (1892-ben csatlakozott hozzájuk, és Pierre Bonnard, Ker-Xavier Roussel, Maurice Denis és Édouard Vuillard életük végéig a barátai maradtak). Stílusa mégis érezhetően más, mint ami a csoportra jellemző, ő sokkal fakóbb színeket használt. A Nabis-korszak egyik jellegzetes képe a meztelen nőket ábrázoló Asszonyok dámajáték közben, ahol az előtérbe helyezett személyekkel együtt, a szobai környezet, a szekrény, a szék is hangsúlyozottan jelenik meg. Ugyancsak ilyen formát ölt a figura-környezet viszonya az Érzelmes társalgásban is. Nem véletlen, hiszen az enteriőr Vallotton számára hosszú időn át alaptéma volt. A korszak jellemző alkotása még az Úrnő és szolgálója és a Vörös szoba. A szobabelsők meghozták számára az elismerést, de 1900 után mégis felhagyott festésükkel, hogy inkább az emberi test ábrázolására (főként női aktok), és csendéletek (Virágcsendélet), tájképek (Erdőrészlet) készítésére összpontosítson. Talán legismertebb alkotása, az 1907-es keltezésű Török fürdő, melyet később Vallotton karrierjének fordulópontjaként jelöltek meg. A következő éveket jellemző festmények közül érdemes kiemelni az Álom címűt, ami miatt Vallottont sokan a szürrealizmus előfutárának tekintik, és portré festészetének egyik legsikerültebb darabját, a Vörös mellényt. Nem hagyott fel az írással sem, kritikai cikkeket jelentetett meg (általában igen szigorú bírálatokat írt), de voltak színdarabjai is (ezek közül kettőt be is mutattak 1904-ben és 1907-ben). Az I. világháború kitörése után, 1914-ben, önként jelentkezett a francia hadseregbe, de életkora miatt (majdnem 50 éves) nem vették fel. A háború annyira megérintette, hogy minisztériumi engedéllyel ellátogatott a champagne-i frontra, élményeit, érzéseit festményeken és egy fametszet-sorozaton örökítette meg. Ebből az időszakból származik többek között a Cagnes-i táj. Utolsó éveiben csendéleteket és tájképeket festett, de még az utóbbiak is emlékezetből, műteremben készültek (Tájkép). Kései munkái közül több, így a Megláncolt Andromeda, egyik legutolsó alkotása is mitológiai témát dolgoz fel. Félix Vallotton termékeny festő volt: több mint 1700 festményt, mintegy 200 nyomatot, több száz rajzot hagyott hátra 1925-ben bekövetkezett halálakor.