Santomaso rivela fin da giovanissimo una predisposizione alla pittura, per cui inizia la sua formazione prima alla Fondazione Bevilacqua La Masa, poi all'Accademia di Belle Arti di Venezia, diventando amico dello scultore Alberto Viani.
Il suo stile è naturalistico e figurativo, come in molti giovani artisti: alla XIX Biennale di Venezia del 1934 partecipa con l'opera Figura e l'anno successivo partecipa anche alla mostra dei quarant'anni della Biennale di Venezia. L'ambiente veneziano, che pure rimarrà come impronta indelebile nella poetica dell'artista, si rivela però troppo angusto e provinciale: comincia il confronto con l'arte dell'avanguardia prima attraverso la rivista Verve, che in seguito lo porta (nel 1937) nei Paesi Bassi per lo studio diretto degli impressionisti e dei fauves.
La sua prima mostra personale avviene a Parigi nel 1939 (Galerie Rive Gauche).
I primi anni quaranta sono il periodo delle nature morte. Espone alla Quadriennale di Roma nel 1943 e nel 1945 illustra il libro di Paul Éluard Grand Air, primo importante lavoro grafico che avrà successivamente una notevole significanza nell'attività dell'artista.
Nel 1946 aderisce, anzi è fra i maitres-à-penser del gruppo di artisti antifascisti Nuova secessione artistica italiana, che diventerà in seguito Fronte nuovo delle arti: la prima mostra del gruppo alla Galleria della Spiga di Milano di Alberto della Ragione lo vedrà tra i protagonisti. Caratteristica del gruppo era l'assenza di un comune denominatore: accanto alle istanze più propriamente sociali, proprie di Guttuso e Pizzinato, altri preferirono esplorare diversi e nuovi campi. Così, Santomaso tenderà sempre più a una pittura di raffigurazione di astratte emozioni e tensioni. Nel 1948 espone a Stoccolma insieme ad Afro e Birolli. Infuria in quegli anni la polemica fra astrattismo e figurativismo e Santomaso interviene affermando che "l'immagine creata dall'artista non dipende dalle apparenze fenomeniche della realtà". Alla Biennale di Venezia di quello stesso anno, quella degli impressionisti e delle personali di Picasso, Klee e Kokoschka, gli artisti del Fronte, pur suscitando profondo interesse sono già irrimediabilmente divisi.
Tra il 1949 e il 1950 l'imprenditore Giuseppe Verzocchi contatta i più importanti pittori italiani per la sua raccolta di opere sul tema del lavoro: fra questi c'è anche Santomaso, che per, in base al tema, realizza Piccola vetreria (1949-1950),quadro che, insieme all'Autoritratto, è oggi conservato nella Collezione Verzocchi, presso la Pinacoteca Civica di Forlì. Partecipa da allora in modo quasi continuativo alla Biennale (nel 1950, 1952, 1954, 1956, 1962, 1964, 1972, 1986 e 1988). Alla XXVI Biennale del 1952, partecipa all'esperienza del Gruppo degli Otto (con Afro, Birolli, Corpora, Moreni, Morlotti, Turcato, Vedova).
Nel 1954 gli viene assegnato il Primo Premio per la Pittura Italiana, nel 1956 il Premio Graziano dalla Galleria del Naviglio di Milano e il Premio Marzotto alla Mostra internazionale di pittura contemporanea di Valdagno nel 1958.
Dal 1957 è docente di pittura all'Accademia di Belle Arti di Venezia, incarico che manterrà fino al 1975. Del 1957, inoltre, è la sua prima mostra negli Stati Uniti alla Grace Borgenicht Gallery: durante il soggiorno americano incontra gli esponenti dell'Espressionismo astratto e quest'incontro è determinante nello sviluppo delle sue tematiche artistiche.
Nella seconda metà degli anni Cinquanta si affranca completamente dal contenuto e dalla forma, il colore tende ormai alla pura luce, e la struttura stessa del quadro (Dalla parte della Meridiana, 1956, Neri e rossi del canale, 1958) giunge ormai alle soglie dell'informale, ormai diffuso in Europa e negli Stati Uniti. Tuttavia, a differenza di quasi tutto l'astrattismo informale, non risponde a connotazioni drammatiche, ma è sempre tesa alla ricerca inesausta di armonia ed equilibrio (Rosso veneziano, 1959) che caratterizza tutto il suo lavoro.
È del 1960 la personale allo Stedelijk Museum di Amsterdam e del 1961 la partecipazione alla Biennale di San Paolo. Nel 1963 una sua opera viene esposta alla mostra Contemporary Italian Paintings, allestita in alcune città australiane.
La ricerca della luce si accentua sempre di più, le opere sono ormai architetture luminose, i pur sottili legami con l'informale sono ormai superati. Il ciclo delle Lettere a Palladio (1977), esposto alla Fondazione Miró di Barcellona nel 1979, è opera di architettonica chiarezza e nitore.
Nel 1981 espone: al West End Galerie di Francoforte, alla Schlosshofgalerie di Kißlegg, alla Fritz-Winter Haus di Ahlen e al Fort Lauderdale in Florida.
La Borgenicht Gallery di New York organizza un'antologica dell'artista nella primavera del 1983. Le ultime opere (Rosso gotico, 1983, Blue Simphony, 1989) confermano il posto di rilievo che l'artista occupa nel panorama della pittura contemporanea italiana.
Subito dopo la morte, avvenuta nel 1990, un'importante retrospettiva è stata organizzata dalla Pinacoteca Rusca di Locarno.
Nel 1991 la Collezione Guggenheim ha reso omaggio all'artista esponendo il ciclo delle sette Lettere a Palladio.
