Nació en Palencia en 1905 y allí pasó su infancia y juventud. En 1923 comenzó los estudios de Arquitectura en Madrid y para preparar la asignatura de dibujo asistió a clases en el taller de Daniel Vázquez Díaz. Pronto dedició dejar los estudios y dedicarse a la pintura. Alojado en la Residencia de Estudiantes, participó de manera activa en la vida cultural de vanguardia. En 1927 conoció a Benjamín Palencia y a Alberto Sánchez Pérez, impulsores de la conocida como Escuela de Vallecas, en la que también participaron Gil Bel, Luis Castellanos, Maruja Mallo, José Herrera Petere, Luis Felipe Vivanco, Rafael Alberti y Federico García Lorca.
En 1929 viajó a París, donde pasó el invierno, conociendo de primera mano el cubismo. Tras su regreso a España, en 1930 se trasladó a Zaragoza debido al trabajo de su padre. Allí compartió taller con los pintores Manuel Corrales y González Bernal. Al año siguiente, de nuevo en Madrid, publicó junto con Herrera Petere una revista de características anarquistas, surrealistas y dadaístas llamada En España ya todo está preparado para que se enamoren los sacerdotes. En 1934 presentó su primera exposición individual, en la que exhibió obras de carácter cubista. En 1937 se afilió al Partido Comunista de España, tras conocer a su compañera Isabel Fernández Almansa, al cual estuvo afiliado toda su vida; también fue miembro de la Confederación Nacional del Trabajo.
Durante la Guerra Civil Española sirvió en el bando republicano, en el Cuerpo de Carabineros. Al finalizar la misma se quedó a vivir y trabajar en Madrid, con el paisaje como principal tema para evitar la censura. En 1948 fue detenido y encarcelado por su vinculación al republicanismo; durante tres años estuvo en las prisiones de Carabanchel y Ocaña y en ese tiempo nunca dejó de pintar. En 1958 recibió el Premio Nacional de Pintura y en 1962 obtuvo la primera medalla de la Exposición Nacional de Bellas Artes, además de ser seleccionado para participar en un certamen en el Museo Guggenheim de Nueva York.
En 1980 recibió el Premio Nacional de Artes Plásticas de España. Al año siguiente fue nombrado hijo predilecto de la provincia de Palencia y en 1984 recibió el Premio Castilla y León de las Artes.Finalmente, el 24 de junio de 1988 falleció en Madrid. En 1995 se creó en Palencia una fundación que lleva su nombre, cuya sede es el Museo de Arte Contemporáneo de dicha ciudad.
Desde su viaje a París en 1929, toda su producción inicial se basó en el cubismo. Después de la Guerra Civil, su temática serán los paisajes castellanos, de cargado simbolismo por sus orígenes palentinos y como forma de evitar la censura. En su pintura encontramos horizontes castellanos, cerros, pueblos de adobe, viñedos, bodegones, en colores ocres, amarillos, grises y pardos. Durante los tres años que pasó en la cárcel pintó alguna de sus obras más reconocidas, como Iban a comunicar, Mujer peinándose y Mujer sedente en la playa.
En los años 50 su pintura se afianzó, con la consolidación de la temática del paisaje a través de un método propio que consistía en la geometrización de todo el cuadro. La década de los 60 supuso la internacionalización de su obra pues sus pinturas viajaron a Lisboa, París, Nueva York y Copenhague, entre otros sitios. En los 70 y 80 su pintura insiste en la geometría y amplía la gama de colores con verdes, rosas y blancos. En sus últimos trabajos sorprende la abundancia del color verde y una pintura que va más allá de la geometría cubista, adquiriendo un carácter impresionista.
Su obra se encuentra en museos como el Museo Patio Herreriano de Valladolid, el Museo Reina Sofía de Madrid, el Museo de Arte Contemporáneo de Madrid, el Museo de Bellas Artes de Bilbao, el Instituto Leonés de Cultura o el Instituto Valenciano de Arte Moderno, además de varias galerías y colecciones privadas y la colección de la propia Fundación Díaz-Caneja.
