Феликс Валлоттон родился 28 декабря 1865 года в Швейцарии. Феликс обучался в кантональной гимназии Лозанны. Уже в это время юноша проявляет интерес к живописи. Он начинает заниматься у художника Гиньяра. Заметив способности сына, отец Феликса отвозит его в Париж. В 17 лет поступает в Академию Жюлиана. Приобрел европейскую известность своими ксилографиями, образцы которых находил в работах Рембрандта и Милле. С 1899 года всё больше занимался живописью.
Первая работа Валлоттона появилась на выставке 1885 года. Картина «Портрет старика» имела большой успех. В это же время художник осваивает технику создания офорта.
В последующие годы молодой художник много времени проводил в Лувре, копируя работы старых мастеров.
Среди его копий — прославленная «Мона Лиза» и «Портрет старика в красном берете» Альбрехта Дюрера.
Первой освоенной Валлоттоном ручной репродукционной техникой стала не принесшая ему впоследствии славу ксилография, а офорт. В этой технике он исполнил репродукции работ Рембрандта и Милле, а музей в Женеве заказал ему серию графических копий работ Веласкеса и других мастеров испанской школы.
В 1894 году вышел в свет альбом Валлоттона под названием «Истинный Париж» Изнанку городского быта трактует серия «История одного преступления», исполненная в том же 1894 году.
Характерная черта всех картин художника — некоторая язвительность, критическая оценка изображаемого. В своих работах Валлоттон не стремился к художественности, напротив, его картины часто напоминали карикатуры. Эта черта побудила многих критиков негативно относиться к творчеству этого художника.
В 1890х годах Феликс Валлотон входит в состав группы «Nabis», что в переводе с еврейского означает «Пророки». Членами группы были французские художники Пьер Боннар, Морис Дени, Аристид Майоль и другие, а также некоторые из живших в то время в Париже иностранных мастеров.
Члены группы активно занимались прикладным декоративным искусством, в частности проектировали мебель. Вместе с тем им был свойственен мистицизм, от которого Валлоттон всегда был далек.
Летом 1899 году Феликс Валлоттон женился.
Избранницей его стала вдова Габриелла Родригес Хенрикс. Она была дочерью Бернгайма младшего, торговавшего произведениями искусства и владевшего галереей, где художник неоднократно выставлялся. Одна из таких выставок, на которой было представлено 75 произведений Валлоттона, состоялась с 27 апреля по 10 мая 1903 года.
Творчество художника всегда отличалось разнообразием. Он создавал гравюры, картины, иллюстрации для книг. Валлоттон проявлял интерес к импрессионизму, однако стремился к изображению не отвлеченного мимолетного впечатления, а устоявшихся явлений и форм.
В течение всей жизни Валлоттон работал в Париже, нередко путешествуя по Швейцарии, Франции и другим странам. В военные годы художник откликнулся на происходящее серией ксилографий «Такова война», позднее занимался в основном только живописью.
Феликс Валлоттон скончался 29 декабря 1925 года в Париже.