Élevé en  Allemagne (Prusse), entre Cologne et Francfort, puis, à partir de 1919, en Belgique Raoul Ubac étudies à l’Athénée royal de Malmedy jusqu’en 1928.  Après la lecture du premier Manifeste du surréalisme, il s’inscrit à la Sorbonne à Paris et noue des contacts avec les surréalistes dont  Camille Bryen et d’Otto Freundlich et rencontre André Breton. Ses premières photographies d’assemblages de pierres trouvées  sur l’île de Hvar l’incitent  à s’inscrire à l’École d’arts appliqués de Cologne. Raoul Ubac expérimente alors de nouvelles techniques photographique : les procédés de brûlage, de solarisation et de pétrification, qu’il expose à Paris en 1933.

Sous le nom de Raoul Michelet et en collaboration avec Camille Bryen,  il publie un deux recueils de poèmes et de photographies, Actuation poétique et L’Aventure des Objets .
Il côtoie Hans Bellmer, Victor Brauner, Benjamin Péret et Raoul Hausmann, participe l’Exposition internationale du Surréalisme, à La Louvière, première exposition surréaliste en Belgique, organisée par le groupe Rupture.

À partir de 1936, il travaille sur une série de photographies autour du Combat de Penthésilée, qu’il publiera en partie dans le revue Minotaure, en combinant de multiples procédés : association des négatifs, surimpression et solarisation, superposition ou décalage du négatif et du positif, qui donne une impression de pétrification, soufflage, fumage, brûlage ou voilage du cliché.  Ubac apprend la gravure dans l’atelier de Stanley Hayter et expose quelques photographie en janvier 1938 à l’Exposition internationale du surréalisme.

En 1940, Raoul Ubac fonde avec René Magritte la revue L’Invention collective qui ne connaîtra que deux numéros et auxquels participeoriont  André Breton, Achille Chavée, Fernand Dumont, Marcel Lefrancq, autre photographe surréaliste, Irène Hamoir, Marcel Lecomte, Marcel Mariën et Louis Scutenaire. Au début de la Seconde Guerre mondiale, Raoul et Agui Ubac, en compagnie des Magritte, de Scutenaire et d’Irène Hamoir, quittent Bruxelles, puis Paris pour Carcassonne (Aude) où demeure Joë Bousquet. En 1941, Raoul Ubac revient à Bruxelles où il présente une exposition de photographies dont le catalogue est préfacé par Paul Nougé. La galerie est fermée sur ordre des occupants. Ayant fait la connaissance du poète Jean Lescure qui la dirige, il collabore activement à la revue Messages, où il rencontre Paul Éluard, Raymond Queneau et André Frénaud, qui ne cessera d’accompagner amicalement son travail. En 1942, il illustre Exercice de la pureté de Jean Lescure.

Ce dernier lui présente Jean Bazaine et d’autres peintre non figuratifs. À partir de 1951, la galerie Aimé Maeght expose régulièrement ses gouaches et ses toiles, préfacées par André Frénaud, Georges Limbour, Claude Esteban ou Yves Bonnefoy. Ubac ne cesse simultanément de graver des ardoises qui deviennent à mesure des reliefs et dont il introduit en 1955 des fragments dans ses tableaux. Il acquiert en 1958 une maison à Dieudonne où il installe deux ateliers, pour la peinture et la sculpture.

Dans les années 1960, ses peintures, sur panneaux recouverts de résines amalgamées, réalisent une synthèse et un épanouissement, autour des thèmes des Labours et des Sillons, des Corps et des Torses, du double travail qu’il poursuivra jusqu’à sa mort. En 1968 une rétrospective de son œuvre est présentée à Bruxelles et au Musée d’art moderne de Paris. Ubac reçoit en 1973 le grand prix national des arts.