Willi Baumeister absolvierte zunächst von 1905 bis 1907 eine Lehre als Dekorationsmaler und studierte gleichzeitig an der Kunstakademie Stuttgart.
Von 1907 bis 1908 leistete er seinen Militärdienst als Einjährig-Freiwilliger ab und nahm danach sein Studium an der Akademie wieder auf. 1912 beteiligte er sich erstmals erfolgreich an einer Ausstellung in Zürich. Zwei Jahre später folgte seine erste Einzelausstellung im Stuttgarter Neuen Kunstsalon. Während des Ersten Weltkriegs leistete er Kriegsdienst, beteiligte sich aber trotzdem an der Ausstellung „Hölzel und sein Kreis“ 1916. Nach Kriegsende schloss er sich 1919 der Berliner Künstlergruppe „Novembergruppe“ an, während er in Stuttgart zusammen mit Oskar Schlemmer die Künstlergruppe „Üecht“ gründete, der er bis 1921 angehörte. 1919 fertigte er außerdem sein erstes Bühnenbild. 1922 beendete Baumeister sein Studium, arbeitete danach als freier Künstler und nahm an zahlreichen nationalen und internationalen Ausstellungen teil. Außerdem widmete er sich gleichzeitig der Gebrauchsgrafik und entwarf u.a. Anzeigen. 1926 heiratete er Margarete Oehm und nahm an der „International Exhibition of Modern Art“ in New York teil.
Ab 1928 leitete er die Klasse für Gebrauchsgrafik, Typografie und Stoffdruck an der Frankfurter Gewerbeschule, der späteren Städelschule. Ab 1930 betreute er die Gestaltung der Zeitschrift des „Neuen Frankfurt“ und trat verschiedenen Künstlergruppen bei.
Im Dritten Reich verlor er seine Stelle an der Gewerbeschule und kehrte nach Stuttgart zurück. Ab 1937 arbeitete er in einer Wuppertaler Lackfabrik. Seine Arbeiten wurden als „entartet“ eingestuft, aber erst 1941 wurde ein Mal- und Ausstellungsverbot gegen ihn verhängt. Sowohl Wuppertal, als auch sein Haus in Stuttgart wurden durch Bombenangriffe zerstört, woraufhin Baumeister nach Urach umzog.
Nach Kriegsende wurde er 1946 Leiter der Klasse Dekorative Malerei an der Stuttgarter Kunstakademie. 1947 veröffentlichte er sein Buch „Das Unbekannte in der Kunst“ und nahm seine Ausstellungsaktivitäten wieder auf. 1949 war er Mitbegründer der Künstlergruppe „Gegenstandslose“, deren erste Ausstellung ZEN 49 war. Von 1951 bis 1954 gehörte Baumeister zum Vorstand des Deutschen Künstlerbundes.
Er starb vor seiner Palette mit dem Pinsel in der Hand.

Bekannte Werke
• Zeichner und Modell, 1913
• Mauerbild mit Metallen, 1923, Kunstsammlung Nordrhein-Westfalen, Bonn
• Jour Heureux, 1947, Musée National d’art Modrne Centre Georges Pompidou, Paris