Отец работал управляющим на сахарном заводе известного украинского промышленника Терещенко (по другим данным отцом Малевича был белорусский этнограф и фольклорист). Мать была домохозяйкой. У четы Малевичей родилось четырнадцать детей, но только девять из них дожили до зрелого возраста.
Казимир был первенцем в семье. Рисовать начал учиться самостоятельно, после того, как в возрасте 15 лет мать подарила ему набор красок. В возрасте 17 лет некоторое время провёл в Киевской художественной школе. В 1896 году семья Малевичей обосновалась в Курске. Там Казимир работал мелким чиновником, но бросил службу ради карьеры художника. Первые его работы написаны в стиле импрессионизма.
В 1904 году Малевич решил круто изменить свою жизнь и для этого переехал в Москву. Два раза он подавал прошение о приёме в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, но его туда не приняли. В 1907-1910 годах Малевич работал в студии Ф.И. Рерберга в Москве. Со своими работами принимал активное участие в различных художественных выставках, оформлял футуристические издания, иллюстрировал книги.
В 1915 году Малевич принял участие в первой футуристической выставке «Трамвай В» в Петрограде. Затем работал над супрематическими полотнами, написал манифест «От кубизма к супрематизму. Новый живописный реализм», стал одним из активных участников футуристических выставок. Самое своё знаменитое живописное произведение — «Чёрный квадрат» (1915) — являлось своеобразным живописным манифестом супрематизма. Оно впервые было выставлено в Петрограде (19 декабря 1915) 1 января 1916 года на выставке «0,10» и имело значительный успех.
В мае 1917 года Малевич был избран в совет профессионального Союза художников-живописцев в Москве и вскоре стал председателем Художественной секции Московского совета солдатских депутатов, занимался просветительской работой, разрабатывал проект Народной академии искусств. В ноябре 1917 года московский Военно-революционный комитет назначил Малевича комиссаром по охране памятников старины и членом Комиссии по охране художественных ценностей, в чью обязанность входила охрана ценностей Кремля.
В этот же период художник написал «Декларацию прав художника», участвовал в создании декораций и костюмов к спектаклю В.Э. Мейерхольда по пьесе В.В. Маяковского «Мистерия-Буфф», участвовал в заседании комиссии по организации Музея художественной культуры (МХК), руководил «Мастерской по изучению нового искусства Супрематизма» в Свободных государственных художественных мастерских, экспонировал супрематические работы на X Государственной выставке («Беспредметное творчество и супрематизм»).
В 1919 году Малевич переехал в Витебск, где руководил мастерской в Народном художественном училище «нового революционного образца», которую возглавлял Марк Шагал. Тогда же издал теоретическую работу «О новых системах в искусстве». В декабре в Москве открылась первая ретроспективная выставка художника «Казимир Малевич. Его путь от импрессионизма к супрематизму», в последующие годы его персональные выставки проходили регулярно в разных городах, а в 1922 году Малевич закончил работу над своим главным теоретико-философским трудом — «Супрематизм. Мир как беспредметность или вечный покой».
В 1927 году художник переехал в Киев, преподавал в Киевском художественном институте, публиковал статьи на художественную тематику. Но начало репрессий на Украине против некоторых представителей интеллигенции заставило Малевича вернуться в Ленинград, где он продолжил заниматься творчеством.
Казимир Северинович Малевич умер 15 мая 1935 в Ленинграде.