En 1896 comienza a tomar clases nocturnas en la Academia de San Carlos, donde conoce al célebre paisajista José María Velasco. En 1905 recibe una pensión del Secretario de Educación, Justo Sierra y en 1907 recibe otra del entonces gobernador de Veracruz, Teodoro A. Dehesa Méndez, que le permite viajar a España a hacer estudios a obras de importantes pintores como las del español Francisco de Goya y el griego Greco.
En enero de 1922, comenzó a pintar su primer mural, en el Anfiteatro Simón Bolívar de la escuela Preparatoria Nacional. Es el autor de diversos murales en diferentes edificios del Centro Histórico de la Ciudad de México. Asimismo, realizó todos los murales de la capilla de la Escuela Nacional de Agricultura de Chapingo.
Su obra llegó a otras ciudades del extranjero como San Francisco, Detroit y Nueva York. La pintura de Rivera comienza a convertirse en una importante influencia para el Movimiento Muralista Mexicano y Latinoamericano.
La obra de Diego Rivera plasma el contenido social en todas sus murales. En 1946 pinta su obra, considerada como una de las más importantes, Sueño de una tarde dominical en la Alameda Central en el entonces recién construido Hotel del Prado de la Ciudad de México.
Junto con José Clemente Orozco y David Alfaro Siqueiros crea la comisión de Pintura Mural del Instituto Nacional de Bellas Artes.