Nato a Torino nel 1871, si trasferì nel 1895 a Roma, dove conobbe Umberto Boccioni, Gino Severini e Mario Sironi e fece propria la tecnica divisionista. Dopo un breve soggiorno a Parigi, aderì nel 1910 al Futurismo, firmando con Boccioni, Luigi Russolo, Carlo Carrà e Severini il Manifesto dei pittori futuristi e il Manifesto tecnico della pittura futurista.
Negli anni successivi si impegnò nella resa del dinamismo e dei movimenti sia adottando tecniche ancora divisioniste (come in Le mani del violinista) sia mettendo in sequenza fasi successive di un movimento (come nel celebre Ragazza che corre sul balcone) sia tracciando sulla tela le “linee forza” di un oggetto in moto.
La sua adesione al Futurismo fu totale, tanto che cominciò a firmare le sue opere con lo pseudonimo Futurballa. Negli anni della Prima guerra mondiale, e soprattutto dopo la morte di Boccioni, assunse un ruolo di guida del movimento, come testimoniato anche dal manifesto Ricostruzione futurista dell’universo, scritto a quattro mani nel 1915 con Fortunato Depero, nel quale si proponeva di ricreare l’universo in ogni suo aspetto, rallegrandolo con forme, colori, materiali nuovi e mai visti. A tale scopo Balla si dedicò, oltre che alla pittura, alla scultura e alle arti applicate, realizzando abiti, mobili, oggetti d’arredo.
Dopo l’iniziale adesione al fascismo, si allontanò dal regime e dal Futurismo nel 1937. Morì a Roma nel 1958.