Cuando apenas contaba con 2 años de edad, fallecieron sus padres. Al quedar huérfanos fueron acogidos, su hermana Eugenia y él, por su tía Isabel, hermana de su madre, y su marido, de profesión cerrajero.
Compartió estudio en la planta baja de la calle Las Avellanas nº 12 (Valencia) con José Vilar, Benlliure y Pinazo.
Al acabar su formación, comenzó a enviar sus obras a concursos provinciales y exposiciones nacionales de bellas artes, como la de Madrid en mayo de 1881, donde presentó tres marinas valencianas que pasaron inadvertidas, pues no encajaban con la pintura oficial, de temática histórica y dramática. Al año siguiente, estudió la obra de Velázquez y otros autores en el Museo del Prado. Tras su visita pinta en 1883 el lienzo inédito Estudio de Cristo, descubierto recientemente, donde se observa la influencia del Cristo crucificado de Velázquez. Comienza así su «etapa realista», siendo su profesor Gonzalo Salva. Por fin, en 1883, consiguió una medalla en la Exposición Regional de Valencia y, en 1884, alcanzó la gloria al conseguir la Medalla de segunda clase en la Exposición Nacional gracias a su obra Defensa del Parque de Artillería de Monteleón, obra melodramática y oscura, hecha expresamente para la exposición; tal y como le dijo a un colega suyo: “Aquí, para darse a conocer y ganar medallas, hay que hacer muertos»
Con su amigo, el también pintor Pedro Gil, se desplazó a París conociendo de cerca la pintura impresionista, que produjo en él, ya de regreso en Roma variaciones en su temática y estilo. Tomando así contacto con las vanguardias europeas, destacando el impacto que le producen las obras de los pintores John Singer Sargent, Giovanni Boldini y Anders Leonard Zorn.
En 1888 contrajo matrimonio con Clotilde García en Valencia pero vivirían un año más en Italia. En 1889 se instalaron en Madrid y, en apenas cinco años, Sorolla alcanzó cierta fama y prestigio como pintor. En 1894 viajó de nuevo a París, donde desarrolló un estilo pictórico denominado, como hemos apuntado «Luminismo», que sería característico de su obra a partir de entonces.
Comenzó a pintar al aire libre, dominando con maestría la luz y combinándola con escenas cotidianas y paisajistas de la vida mediterránea. En obras como: «La vuelta de la pesca», «La playa de Valencia» o «Triste herencia», describió el sentimiento que producía la visión del mar Mediterráneo, comunicando el esplendor de una mañana de playa con un colorido vibrante y un estilo suelto y vigoroso.
Por aquel entonces, Valencia le nombró hijo predilecto y meritorio, y le fue dado su nombre a una calle. Tras muchos viajes por Europa, principalmente Inglaterra y Francia, celebró una exposición en París con más de medio millar de obras, que le dio un reconocimiento internacional inusitado, conociéndose su obra pictórica por toda Europa y América. Expuso su obra en Nueva York en 1909 y cosechó un éxito sin precedentes, con obras como «Sol de tarde» o «Nadadores», entre muchas otras. También lo hizo, en 1911, en el Museo de Arte de San Luis y en el Art Institute de Chicago.
En noviembre de ese mismo año, firmó un encargo para la Hispanic Society of America por el que realizaría catorce murales que decorarían las salas de la institución: se conocen como Visión de España. Con esta obra realizada entre 1913 y 1919, de tres metros y medio de alto por setenta metros de largo, alzó un imborrable monumento a España, pues en ella se representaban escenas características de diversas provincias tanto españolas como portuguesas.
Necesitó de casi todo el año de 1912 para viajar por todo el país, realizando bocetos y trabajos de costumbres y paisajes. De esta tarea destacan los óleos pintados en 1916 dedicados a niños y mujeres en las playas de Valencia, donde predomina la libertad de pincelada y la luz de su tierra. Algunos ejemplos son: «Madre e hija» o «Pescadora valenciana».