Nacido en una familia dedicada a las artes aplicadas (su tío Daniel fue uno de los mejores ceramistas de su tiempo), desde la infancia mostró vocación por la pintura, renunciando a los estudios de Ingeniería de Minas hacia los que pretendía llevarlo su padre, Plácido Zuloaga. Se trasladó a Madrid, donde se dedicó a copiar a los maestros del Museo del Prado, y expuso por vez primera en la Nacional de 1887. Más tarde viajó a Roma y a París, donde al parecer recibió lecciones de Henri Gervex y donde trabó amistad con los artistas catalanes del grupo modernista, en especial Ramón Casas y Santiago Rusiñol; también fue amigo de Paul Gauguin, Eugène Carrière y el nabi Émile Bernard y expuso en la Galerie Le Barc de Bouteville.

Marchó a Sevilla en 1893, atraído por el ambiente aflamencado de toreros y chulas, e incluso, al parecer, llegó a torear. En 1898 descubrió el encanto austero de Castilla, instalándose en casa de su tío Daniel, en Segovia. El retrato de su tío y sus primas alcanzó el éxito en el Salon de la Nationale de París, ciudad donde se casó, en 1899, con Valentine Dethomas. Tras su viaje de novios, repartió su residencia entre París, Madrid y Segovia. En París causó mala impresión la decisión del jurado de la participación española de rechazar su obra Víspera de la corrida (1898); los premios de la Universal irán a Sorolla. Pese a ello, siguió su carrera de pintor internacional, con exposiciones en París, Dresde, Düsseldorf, Nueva York, Viena, Budapest, Múnich o Ámsterdam, entre otras ciudades. Con motivo de la guerra europea volvió a España y se instaló en una casona de Zumaia (acaso similar a la de la aguada de la Colección Banco de España, localizada en Biarritz, de 1900), que va convirtiendo en museo con obras del Greco o Goya, entre otros.

Logró la medalla de pintura de la Bienal de Venecia en 1940. Su estilo, fuerte y personal, combina el ejemplo de los grandes maestros del barroco español, desde el Greco hasta Velázquez, especialmente Ribera, con el enérgico desplante de Goya. Es, a la vez, naturalista y expresionista y su España, brava y negra, corresponde a la descubierta por la Generación del 98, de la que fue pintor. Sus retratos (Azorín, Falla, Belmonte, Domingo Ortega, Balenciaga, etcétera), son de un vigor excepcional, mientras que en el ámbito del paisaje destacó por aportar un nuevo impulso a las visiones de la tierra castellana y septentrional, del que es un ejemplo interesante la abocetada Vista de Madrid de la Colección Banco de España, o su estudio de una casa vernácula vasca en la citada aguada Casona.

Tradicionalmente, la obra de Zuloaga se ha asociado al mito de la España negra, en oposición a la España blanca, más cosmopolita, de Sorolla. Pero la historiografía reciente está recuperando a un Zuloaga más internacional, así como analizando su contacto y absorción de corrientes más allá de las habitualmente citadas. Muestra de ello es la exposición que en 2017 le dedicó la Fundación Mapfre Recoletos, en la que revisa la etapa del artista en el París de la Belle Époque. Excelente ejemplo de esa mirada cosmopolita son los dos retratos debidos a Zuloaga que integran Colección Banco de España.