Kees van Dongen est né à Delfshaven, alors une ville de la banlieue de Rotterdam qui en est devenue un arrondissement, dans une famille appartenant à la classe moyenne. Il est le deuxième d'une fratrie de quatre enfants. En 1892, à l'âge de 16 ans, Kees van Dongen débute ses études à l'Académie royale des beaux-arts de Rotterdam, où il travaille avec J. Striening et J. G. Heyberg. Durant cette période (1892–1897), van Dongen fréquente le quartier rouge du port, où il dessine des scènes de marins et de prostituées.
Il fait également la connaissance d'Augusta Preitinger, comme lui étudiante en peinture à l'Académie.
D'inspiration anarchiste, il illustre en 1895 avec Jan Krulder l’édition hollandaise de l'ouvrage de Pierre Kropotkine intitulé L’Anarchie.
En 1897, il demeure à Paris pour plusieurs mois. Il y retourne en décembre 1899 pour rejoindre Augusta Preitinger (« Guus »), qu’il avait rencontrée à l’Académie. Ils se marient le .
À Paris, il rencontre Félix Fénéon, par lequel il se voit confier en 1901 un numéro de L'Assiette au beurre, Petite histoire pour petits et grands nenfants.
En 1904, il expose au Salon des indépendants et se lie avec Maurice de Vlaminck et Henri Matisse. Bientôt, il commence à exposer ses œuvres à Paris, notamment l’exposition controversée de 1905 du Salon d'automne, où exposait également, entre autres, Henri Matisse. Les couleurs vives de leurs œuvres seront à l’origine du nom de ce groupe de peintres : les fauves.
Après la Première Guerre mondiale, il s'installe près du bois de Boulogne, notamment à la villa Said, et fréquente les milieux privilégiés. Il a vécu notamment dans le palais Rose du Vésinet, appartenant à la marquise Luisa Casati.
Il est décoré chevalier de la Légion d'honneur en 1926 et officier de la Légion d'honneur en 1954. Mais ce n'est qu'en 1929 qu'il obtient la nationalité française.
Il préside le jury de Miss France 1929 et de Miss France 1939.
Il a aussi été brièvement membre du mouvement expressionniste allemand, Die Brücke.
En octobre 1941, en compagnie des peintres et sculpteurs Charles Despiau, Paul Belmondo, Louis-Aimé Lejeune, Derain, Dunoyer de Ségonzac, de Vlaminck, Van Dongen accepta de participer à un « voyage d’études » en Allemagne organisé par Arno Breker. La contrepartie de ce déplacement, vivement « conseillé » par le gouvernement allemand, devait être la libération d'artistes français alors prisonniers de guerre. Ce voyage dans l'Allemagne nazie très largement exploité par la propagande leur fut à tous sévèrement reproché.
Il a été crématisé au cimetiére Saint-Pierre à Marseille mais n'y repose pas.
Kees van Dongen est le frère du sculpteur Jean van Dongen.