Ve dvou letech ztratil rodiče při epidemii cholery a spolu s mladší sestrou byl svěřen do péče strýce a tety. Studoval malířství ve Valencii, Madridu a Římě, jeho vzory byli Cayetano Capuz, José Villegas Cordero a Francisco Pradilla. Vystavoval s úspěchem na Světové výstavě 1900 v Paříži a obdržel Řád Čestné legie. Byl jmenován členem Americké hispánské společnosti, která mu zařídila několik výstav v USA a svěřila mu také výzdobu svého sídla v New Yorku, pro které Sorolla vytvořil cyklus "Vize Španělska", čtrnáct velkých pláten zobrazujících různé španělské kraje. Vyučoval na královské akademii výtvarného umění v Madridu, k jeho žákům patřil Julio Romero de Torres.