Um dos idealizadores da Semana de Arte Moderna, em São Paulo, Di Cavalcanti começou sua carreira publicando desenhos e caricaturas na revista Fon-Fon, do Rio de Janeiro, em 1914. Dois anos depois, participou de uma exposição coletiva no Salão dos Humoristas e iniciou o curso de Direito, que não concluiu. Mudou-se para São Paulo, onde entrou em contato com artistas e intelectuais que com ele militaram nos movimentos de renovação artística. Frequentou o ateliê do pintor alemão, de base impressionista, George Elpons e, em 1917, realizou sua primeira exposição individual na redação do jornal A Cigarra, em São Paulo. Em 1919, ilustrou o livro Carnaval, do poeta modernista Manuel Bandeira. Entre 1923 e 1925, viveu em Paris, conhecendo, entre outros, Picasso, Braque e Matisse e trabalhando também como correspondente do jornal Correio da Manhã.
Em viagem pela Europa, conheceu pintores clássicos que marcaram sua obra, além dos trabalhos de Delacroix, Gauguin e os muralistas mexicanos. Voltou ao Rio de Janeiro em 1925, onde quatro anos depois realizou, no Teatro João Caetano, Samba e Carnaval, considerado uns dos primeiros painéis modernistas da América Latina. Filiou-se ao Partido Comunista, momento em que as temáticas sociais e a preocupação com a criação de imagens ligadas à vida nacional entraram em sua obra. Telas como Mulher sentada tornaram célebre o tema da “mulata” brasileira, sua condição social e sua sensualidade, marcante em seus trabalhos. Em 1935, voltou a Paris, onde viveu até 1940, para retornar depois a São Paulo. Em 1937, foi premiado pela decoração do Pavilhão da Companhia Franco-Brasileira, na Exposição de Arte Técnica, em Paris. Executou vários painéis, publicou álbuns com gravuras e serigrafias, ilustrou livros, bilhetes de loteria e desenhou joias.
Também escritor, jornalista e poeta, Di Cavalcanti publicou livros (Viagem da minha vida, de 1955, e Reminiscências líricas de um perfeito carioca, de 1964) e colaborou em jornais e revistas. Participou de diversas exposições no Brasil e no exterior, onde recebeu prêmios: em algumas Bienais de São Paulo (na II Bienal dividiu o prêmio de Melhor Pintor Nacional com Alfredo Volpi, e na VII foi homenageado com uma sala especial), na XXVIII Bienal de Veneza (na década de 1950 havia se recusado a participar da mostra veneziana) e na II Bienal Interamericana do México, onde recebeu a Medalha de Ouro. Em 1954, o Museu de Arte Moderna do Rio de Janeiro apresentou uma grande retrospectiva de sua obra, evento que foi repetido, em 1971, no Museu de Arte Moderna de São Paulo.
Di Cavalcanti expôs suas obras nos principais museus do mundo, destacando-se entre seus trabalhos mais conhecidos: Família (Museu de Arte de Montevidéu), Scene brésilienne (Museu de Arte Moderna de Paris), Via sacra (Catedral de Brasília), Cinco moças de Guaratinguetá (Museu de Arte de São Paulo, MASP).
Em 1976, seu enterro no Rio de Janeiro foi filmado pelo cineasta brasileiro Glauber Rocha, resultando no curta-metragem experimental intitulado Di, que homenageia sua obra. Mas o filme foi embargado judicialmente pela família do artista.