Willi Baumeister war mit seiner einzigartigen Bildsprache ein bedeutender Künstler der Moderne des 20. Jahrhunderts. 

1905-07 machte er eine Ausbildung als Dekorationsmaler. Währenddessen besuchte er an der Kunstakademie in Stuttgart die Klasse von Robert Poetzelberger (1856-19301) und Josef Kerschensteiner (1864-1936). 1907 unterbrach er seine Ausbildung, um seinen Dienst als Einjährig-Freiwilliger anzutreten. Im Anschluss setzte er sein Studium fort. Jedoch wurde er von Poetzelberger wegen mangelnder Begabung abgelehnt. Er wechselte in die Klasse von Adolf Hölzel (1853-1934), die er bis 1919 mit Unterbrechung wegen seines Kriegsdienstes besuchte. Dort lernte er Oskar Schlemmer (1888-1943) und Alf Bayrle (1900-1982) kennen.
1913 nahm er am Ersten Deutschen Herbstsalon in der Berliner Galerie „Der Sturm“ teil. Dort begegnete er Franz Marc (1880-1916).
Im Jahr darauf bekam er seine erste Einzelausstellung im Stuttgarter „Neuen Kunstsalon“. Im gleichen Jahr erhielt er gemeinsam mit Schlemmer und Hermann Stenner (1891-1914) von Hölzel den Auftrag zur Ausführung der Wandgemälde in der Kölner Werkbundausstellung.  Außerdem war er ebenfalls mit Schlemmer und Josef Eberz (1880-1942) im „Expressionisten Saal“ der Stuttgarter Ausstellung des Verbandes der Kunstfreunde in den Ländern am Rhein vertreten. Während dieser Zeit unternahm er trotz des Krieges Reisen nach Wien, wo er Oskar Kokoschka (1886-1980) und Adolf Loos (1870-1933) begegnete.
Kurz vor dem Ende seines Studiums versuchte er gemeinsam mit Schlemmer die Berufung Paul Klees (1879-1940) an der Stuttgarter Akademie als Nachfolger Hölzels durchzusetzen. Trotz der Zustimmung Klees wurde der Antrag seitens der Akademie unter der Leitung von Heinrich Altherr (1878-1947) abgelehnt.

Im gleichen Jahr trat er vermutlich der von Max Pechstein (1881-1955) 1918 gegründeten „Novembergruppe“ bei, einer der bedeutendsten Zusammenschlüsse deutscher Künstler bis 1933.
Gemeinsam mit Schlemmer gründete er zeitgleich zum Beitritt in die Novembergruppe die Künstlergruppe „Üecht“ (alemannisch. „wahr“), die eine neue Kunst anstrebten und sich von der Akademie lösen wollten. Diese Gruppe verließ er jedoch 1921 wieder.
1922 eröffnete er ein eigenes Atelier in Stuttgart und war ab diesem Zeitpunkt als freischaffender Künstler tätig.
Im gleichen Jahr nahm er an einer weiteren Ausstellung in der Berliner Galerie „Der Sturm“ teil, wo er internationale Kontakte knüpfen konnte. Fernand Léger (1881-1955), Le Corbusier (1887-1965), Amédée Ozenfant (1886-1966) und Michel Seuphor (1901-1999) stellten gemeinsam mit ihm aus.
1924 stellte er auf der der „Ersten Allgemeinen Deutschen Kunstausstellung“ in Moskau aus. Neben seiner künstlerischen Arbeit entwarf er parallel Anzeigen für Unternehmen wie Bosch oder DWL (Deutsche Linoleumwerke).
1926 heiratete er die Malerin Margarete Oehm (1898-1978). Fast zeitgleich mit seiner Hochzeit folgten weitere internationale Ausstellungen, unter anderem die International Exhibition of Modern Art in New York und eine Einzelausstellung in Paris, wo er Kasimir Malewitsch (1879-1935) kennenlernte.
1927 wurde er an die Frankfurter Kunstgewerbeschule, später Städelschule, auf Empfehlung von Fritz Wichert (1878-1951) berufen. Zwei Jahre später lehnte er eine Berufung an das Bauhaus in Dessau ab.
1930 trat er der Künstlervereinigung Cercle et Carré bei und erhielt für seine Arbeit den Württembergischen Staatspreis.
Mit der Machtübernahme der Nationalsozialisten wurde er seines Amtes enthoben. Zu seinen Schülern in Frankfurt gehörten Elisabeth Hase (1905-1991), Marta Hoepffner (1912-2000), Jacques Germaines (1915-2001), Hannes Neuner (1906-1978) und Jo von Kalckreuth (1912-1984).

Baumeister kehrte nach Stuttgart zurück. Dort lernte er 1936 Kurt Herberts (1901-1989) kennen, den Inhaber einer Wuppertaler Lackfabrik. Für ihn arbeitete er in dessen Wuppertaler Arbeitskreis. Andere verfemte Künstler, wie Hans Hildebrandt (1878-1957), Franz Krause (1897-1979), Alfred Lörcher (1875-1962), Georg Muche (1895-1987) und Schlemmer gehörten zu seinen Kollegen dort.
1937 wurden seine Werke als „entartet“ eingestuft.
Nach Kriegsende wurde er direkt an die Akademie der Bildenden Künste in Stuttgart berufen. Dort unterrichtete er Künstler wie Peter Brüning (1929-1970), Herbert W. Kapitzki (1925-2005), Antonio Máro (*1928), Gerhard Uhlig (1924-2015) und Ludwig Wildling (1927-2010).
1949 gründete er die Künstlergruppe „Gegenstandlose“ mit, die sich ab 1950 „ZEN 49“ nannte. Durch diese Umfeld begegnete er Fritz Winter (1905-1976) und Ernst Wilhelm Nay (1902-1968).
Die internationale Ausstellungsbeteiligung nahm Baumeister nach dem Krieg wieder auf. 1948 und 1952 nahm er an der Biennale in Venedig teil. 1951 an der Biennale in São Paulo. 

Zu Beginn seines Schaffens wurde er von impressionistischen Tendenzen beeinflusst, die er auf einer Paris-Reise 1911 das erste Mal aufnahm. Dieser Inspiration folgte schnell die Faszination für den Kubismus und die Werke von Paul Cézanne (1839-1906). Seine gegenständliche Malerei wurde immer reduzierter. Seine Werke gewannen an Form und wurden gleichzeitig flacher. Die Verbindung von Form und Farbe löste er nach und nach auf. Eine eigene Formensprache entstand.
Ende der 1920er Jahre wurden seine Werke weicher. Er gab zugunsten von organischen Formen die strengen Grundformen, wie Kreis, Rechteck und Quadrat, auf.
Inspiration fand er vor allem in Malereien alter Kulturen. Höhlenmalerei, sowie die Kunst alter lateinamerikanischer Stämme faszinierten ihn. Eine weitere Reduktion der Form fand statt. Er wollte eine neue Zeichenwelt entwickeln, die er als Symbole für die Gesetze der Natur  und der daraus entstehenden Entwicklung der menschlichen Existenz verstand.
Eine eigens entwickelte Form- und Bildsprache, die oft aus hoch verdichteten Abstraktionen, die von einer zentralen Form ausgehen, zeichnen sein Werk aus.