Junto a su esposa, Sonia Delaunay, fueron pioneros del arte abstracto y creadores del simultaneísmo.
[1] Abandonó el cubismo, con sus formas geométricas y colores monocromáticos, para embarcarse en un nuevo estilo, el orfismo, que se centró en las formas circulares y en los colores brillantes y que ha sido también calificado de cubismo abstracto o rayonismo.
Sus estudios sobre el ritmo y el movimiento se resuelven en series de cuadros basados en eventos deportivos, como Sprinters (1924-1926), que culminaron en impresionantes obras abstractas centradas en el ritmo, como sus últimas series "Ritmos" y "Ritmos eternos".
Realizó igualmente escritos teóricos como el ensayo Sur la lumière, publicado en «Der Sturm» (1913), en traducción de Paul Klee.
Con su esposa, la también artista Sonia Delaunay, residió un tiempo en España.