A Mintarajziskolában 1886–89-ben Székely Bertalan, Lotz Károly és Greguss János tanítványa volt. 1892–94-ig Bécsben katona, majd szülővárosa ösztöndíjával 1894–96 között Párizsban, a Julian Akadémián tanult. Párizsban ismerkedett meg Munkácsyval, aki művészetének népi érdeklődésével és magyaros színezetével egész életére szóló benyomást gyakorolt rá. Egy nagyobb olasz-, ill. németországi tanulmányutat követően szülővárosában telepedett le, s barátai, Pásztor János, Endre Béla, Rudnay Gyula és a néprajzkutató Kiss Lajos társaságában kiterjedt művészetszervező tevékenységet fejtett ki. Egyesületük, az Alföldi Művészek Társasága Jövendő címmel folyóiratot indított, kiállításokat rendezett, s a népművészeti értékek védelmében létrehozta a Majolika és Agyagipari Telepet, ill. megvetette a városi múzeum alapjait. Festőként tudatosan a festészet nemzeti jellegének továbbfejlesztését, és az alföldi parasztság életének őszinte ábrázolását tűzte ki céljául, jóllehet, első munkái (Népoktatás a tanyán, 1896, magántulajdon; Szitáló lány, 1900 k., Magyar Nemzeti Galéria) még nem lépték túl a jelenetező életképfestés kereteit. Érett korszaka az 1904-ben festett Juss-sal (Magyar Nemzeti Galéria) indult, amellyel elnyerte a Ráth György-díjat. A kép, amelynek problematikája még három évtizedig foglalkoztatta, a magyar falu drámájának megrázó erejű láttatása, szenvedélyes előadásmóddal párosuló szociális mondandója jól példázza ~ éleslátását és elkötelezettségét a parasztság sorsproblémái iránt. A különböző Juss-variációk során kimunkált expresszív hangütés jellemzi újabb, immár drámai sűrítésű életképeit, amelyekből többet megvett a Magyar Nemzeti Galéria (Menyecske a műteremben, 1904; Édesanyám a szobájában, 1905; Csizmahúzás, 1906). Kuruc tárgyú történelmi képeit (Rákóczi Rodostóban, 1904, Magyar Nemzeti Galéria; Nagy Bercsényi Miklós, 1908, Hódmezővásárhely, Tornyai János Múzeum) az egyszerű, monumentális megfogalmazás és a szimbólummá nemesedő jellemrajz emeli ki a 20. század elejének szokványos történelmi kompozíciói közül. 1910-ben, párhuzamosan mártélyi házépítésével, új téma jelent meg festészetében: az alföldi táj. Tájértelmezésében a lírai hang dominál, így a mondanivaló fő hordozója a színvilág, amely egyszersmind az érzelmi viharok megjelenítője is (Gémeskút; Bús magyar sors; Alföldi tanya, 1910, Hódmezővásárhely, Tornyai János Múzeum). 1919-ben a közöny és a megnemértés miatt Vásárhelyről Pestre költözött, itt azonban, bár az UME és a KUT is a tagjául választotta, nem találta a helyét. Majd egy évtizednyi hallgatás után 1928–29-ben Baján dolgozott, 1933–34-ben pedig a nyári és az őszi hónapokat a szentendrei művésztelepen töltötte. A bajai és szentendrei tartózkodás új korszakot nyitott művészetében: a társadalmi témák helyett sajátos festői kérdések, a napsütötte park, a műterembe beeső fények reflexeinek megragadása, derűs hangulatú enteriőrök, csendéletek foglalkoztatták (Virágcsendélet, 1930; Szobabelső; Szentendrei park, 1934). Életének utolsó éveit a megérdemelt siker határozta meg: 1927-ben Jankó János-díjat, 1928-ban Vaszary-díjat, 1929-ben Barcelonában aranyérmet kapott, 1933-ban elnyerte az állami kis aranyérmet, 1934-ben a Szinyei Társaság nagydíját. Ötvenéves festői jubileumát megünnepelte szülővárosa, tiszteletére Tornyai Társaságot alapítottak, és életjáradékot szavaztak meg számára. Gyűjteményes kiállítása 1908-ban és 1934-ben Hódmezővásárhelyt, 1911-ben a Művészházban, 1907-ben Budapesten az Ernst Múzeumban, 1918-ban a Képírók és Képfaragók Egyesületében, 1923-ban az Alkotás-Művészházban volt, emlékkiállítását 1961-ben a Magyar Nemzeti Galéria és a Tornyai János Múzeum rendezte meg. Életművének nagy részét a hódmezővásárhelyi múzeumra hagyta, amely 1951 óta a nevét viseli, csakúgy, mint a Vásárhelyi Őszi Tárlatok nagydíja, a Tornyai-plakett.