Sevillában született egy 14 gyermekes család utolsó fiaként. Édesapja egy Gaspar Esteban nevű borbély volt, édesanyját María Pérez Murillonak hívták, az ő vezetéknevét használta később művei aláírásakor. Mivel szülei halálakor még csak 10 éves volt, ezért egyik nővére, Ana nevelte fel. Ana férje szintén borbély volt, Juan Agustín de Lagaresnek hívták, és a fiatal Bartolomé is nagyon jó kapcsolatban volt vele.

Tanulmányait Juan Castillo műtermében kezdte meg, aki akkoriban elismert művész volt Sevillában. 5 évet töltött el itt. Már 14 évesen kisebb képeket festett, illetve vallási témájú rajzokat készített, hogy némi pénzt adhasson haza. 22 éves korában egy kis festőműtermet hozott létre, képeit vásárokon adta el, de annak ellenére, hogy képeit vásárolták is az emberek, ez nem szüntette meg benne azt a vágyat, hogy igazi művésszé váljon. Olyannyira nem, hogy miután megismerte Van Dyck képeinek a másolatait, még inkább tökéletesíteni akarta saját festészetét. Bár nem tudunk róla, hogy külföldön járt volna, mégis jól ismerte a flamand festészetet is, mivel Sevilla fontos kereskedelmi központ volt. Mindazonáltal arra az elhatározásra jutott, hogy elhagyja egy időre szülővárosát. A nehézség csak a szükséges pénz megszerzésében állt. Murillo vásárolt egy vég vásznat, feldarabolta, majd mindegyik darabra festett egy képet. Ezeket a képeket azután eladta egy kereskedőnek, aki Ázsiába és Amerikába hajózott vele. 1642-ben, 26 éves korában Madridba költözött, ahol Velázquez tanítványa lett, aki megnyitott számára a madridi és toledói királyi paloták és a Monasterio del Escorial kapuit, ahol megcsodálhatta és lemásolhatta a legkülönbözőbb mesterek festményeit is, ezáltal tökéletesítve saját művészetét. Első művein még érződik Zurbarán, Jusepe de Ribera, Alonso Cano, Rubens, Tiziano és Velázquez hatása. 1645-ben tért vissza Sevillába. Ebben az évben tizenhárom vásznat festett a sevillai San Francisco el Grande kolostor részére, ami meghozta neki a megérdemelt elismerést. Ekkor vette feleségül Beatriz Cabrerat is, akitől később kilenc gyermeke született.

Befejezett még néhány képet a Sevillai katedrális számára, majd ezután már arra a két témára koncentrált, ami később a legnagyobb elismerést hozta meg számára: ezek a témák a Szűz gyermekkel és a Szeplőtelen fogantatás voltak. 1658 és 1660 között újból Madridban találjuk, majd 1660-ban részt vesz az Academia de Pintura megalapításában, aminek az irányítását Francisco Herrera el Mozo építésszel közösen végzi. Ez volt a legtermékenyebb időszaka és ekkor kapta a legjelentősebb megbízásokat, többek között a Monasterio de San Agustín oltárképének az elkészítésére, a Santa María la Blanca számára készített képekre, amelyeket 1665-ben fejezett be, a sevillai Iglesia del Convento de Capuchinos főoltárának az oltárképére és az oldalkápolnák képeinek az elkészítésére, ami az egyik legjelentősebb alkotása. Jóllehet vallási témájú munkái ismertebbek, Murillo jelentős számban festett korabeli asszonyokat és gyermekeket ábrázoló festményeket is. Vallási tárgyú képei tetszetősek, színes, mozgalmas késő barokk stílusban. Változatosan és biztosan használta a
tónusértékeket és a fényárnyalatokat. Festésmódja egyre szabadabbá vált, körvonalai meglágyultak. Közvetve hatott rá Velázquez. Napjainkra képei szétszóródtak különböző európai és amerikai gyűjteményekbe.