Trần Phúc Duyên sinh ngày 16 tháng 02 năm1923 tại Hà Nội. Bố ông là cụ Trần Diễn Giệm và mẹ là Nguyễn Thị Thược. Quê nội của ông ở làng Phượng Dực, huyện Phú Xuyên, Hà Tây, còn quê ngoại ở làng Bạch Mai, Hà Nội.
Gia đình ông thuộc tầng lớp giàu có trong xã hội Việt Nam cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20. Bố ông được gửi sang Pháp học từ nhỏ và khi quay về Việt Nam thì lập xưởng đồ gỗ Phúc Mỹ tại số 1 phố Dieulefils (nay là phố Đặng Dung). Xưởng Phúc Mỹ nhanh chóng trở thành nhà làm mộc và đồ nội thất danh tiếng tại Hà Nội những năm đầu của thế kỷ 20. Xưởng Phúc Mỹ có mối liên hệ mật thiết với trường Cao Đẳng Mỹ thuật Đông Dương, là xưởng được chọn thi công toàn bộ phần trần cho gian trưng bày đồ sơn mài tại Đấu xảo quốc tế năm 1931; và cụ Giệm là thành viên sáng lập Hội An Nam Chấn hưng Mỹ thuật và Kỹ nghệ (La Société Annamite d’Encouragement à l’Art et à l’Industrie, viết tắt là S.A.D.E.A.I.) do Victor Tardieu là Hội trưởng.
Năm 1941, ông vào học lớp dự bị của trường Cao đẳng Mỹ thuật Đông Dương do Nam Sơn và Tô Ngọc Vân giảng dạy; vào năm 1942, ông thi đỗ vào khoa Sơn Mài, Khóa XVI cùng với Quang Phòng, Đinh Minh, Cao Xuân Hùng, Lê Phả, Nguyễn Văn Thanh, Phan Thông và Võ Lăng. Khoá học của ông không có cơ hội hoàn thành hết chương trình học 5 năm vì trường phải đóng cửa năm 1945, sau ngày Nhật đảo chính Pháp. Tuy vậy những kiến thức ông được học từ Trường Cao đẳng Mỹ thuật Đông Dương đã tạo nên nền tảng vững chắc để ông phát triển sự nghiệp nghệ thuật của mình sau này.
Trong những năm 1948 - 1954, ông sống và sáng tác tại Hà Nội. Xưởng vẽ của ông đặt tại số 146 Avenue de Grand Buddha - nay là đường Quan Thánh. Theo những ghi chép cá nhân của chính Trần Phúc Duyên, trong khoảng thời gian này, ông đã nhận được rất nhiều đơn đặt hàng từ các gia đình tư sản trong nước, giám đốc các công ty nước ngoài, các quan chức, tướng lĩnh quân đội Pháp, và thành viên của chính phủ Bảo Đại. Năm 1950, 3 tác phẩm sơn mài của ông - trong đó có một bức bình phong 6 tấm vẽ phong cảnh Sài Sơn, Chùa Thầy đã được chọn để gửi sang Vatican làm quà mừng Giáo Hoàng Pius và được lưu giữ tại bảo tàng Vatican. Tháng 01/1952, Trần Phúc Duyên có triển lãm cá nhân đầu tiên tại Sài Gòn với 30 tác phẩm sơn mài.
Cuối năm 1954, ông cùng anh trai Trần Phúc Chí và em trai Trần Phúc Trường di cư sang Pháp. Ông tiếp tục theo đuổi sự nghiệp hội họa, đến thực hành tại xưởng của Jean Souverbie (1891–1981), Trường Mỹ thuật Paris (École des Beaux-Arts de Paris) và vẽ tranh sơn dầu để bán kiếm sống. Ở Paris, ông vẫn quyết tâm vẽ tranh sơn mài mặc dù rất khó khăn để tìm nguyên liệu và tạo được điều kiện khí hậu hợp lý cho sơn mài. Triển lãm năm 1961 tại Nice với 20 bức tranh sơn mài và 20 bức tranh lụa đánh dấu sự trở lại với hội hoạ của ông tại Pháp.
Trước khi chuyển sang sống tại Thụy Sĩ năm 1968, ông có 8 triển lãm cá nhân tại Tây Ban Nha, Pháp và Thuỵ Sĩ. Từ năm 1969 đến năm 1993, Trần Phúc Duyên có thêm 13 cuộc triển lãm cá nhân bao gồm một triển lãm tại Pháp năm 1970, một triển lãm tại Canada năm 1975 và nhiều triển lãm tại Thuỵ Sĩ trong những năm: 1971, 1973, 1976, 1978, 1979, 1983 và 1989. Tại triển lãm cá nhân năm 1983, ông xuất bản cuốn sách đầu tiên và duy nhất về tranh sơn mài của mình.
Những năm cuối đời, ông tu thiền hàng ngày. Chất thiền như được thấm vào, hiện hữu trong tranh ông với những khoảng trống vô thường, sự yên bình tĩnh lặng và cảm giác an nhiên, thư thái. Ngày 9 tháng 9 năm 1993, Trần Phúc Duyên từ giã cuộc đời một cách nhẹ nhàng và thanh thản trong giấc ngủ ở tuổi 70.
