Yves Klein è nato il 28 aprile 1928 a Nizza, in Francia. Dal 1942 al 1946 studia all'École nationale de la marine marchande e all'École nationale des langues orientales vivantes (oggi Institut national des langues et civilisations orientales) e inizia a praticare il judo. In questo periodo diventa amico dell'artista Arman e del cantante Claude Pascal e inizia a dipingere. Nel 1947 Klein compone la sua prima Symphonie monotone (Sinfonia monotona). Dal 1948 al 1952 viaggia in Italia, Regno Unito, Spagna e Giappone. Nel 1955 si stabilisce definitivamente a Parigi, dove gli viene dedicata una mostra personale al Club des Solitaires. Nel 1956 i suoi dipinti monocromi vengono esposti alla Galerie Colette Allendy di Parigi.
Nel 1957 Klein entra nella sua époque bleue (periodo blu); in questo anno si tiene una doppia mostra del suo lavoro alla Galerie Iris Clert e alla Galerie Colette Allendy, entrambe a Parigi. Nel 1958 Klein svuota la Galerie Iris Clert, ridipinge le pareti di bianco e presenta il vuoto dello spazio come opera d'arte nell'innovativa mostra concettuale The Void. Sempre in quell'anno, inizia a utilizzare modelle nude come "pennelli viventi", ricoprendole di vernice e istruendole a premere e trascinare i loro corpi su carta e tela. Queste opere, chiamate Antropometrie, registrano le impressioni gestuali e l'energia fisica del corpo. Sempre nel 1957, Klein intraprende un progetto per la decorazione dell'ingresso del nuovo teatro dell'opera di Gelsenkirchen, in Germania Ovest. Firma il primo manifesto del gruppo Nouveaux Réalistes scritto nel 1960 dal critico Pierre Restany. Nel 1960 Klein brevetta l'International Klein Blue (IKB), un colore di vernice da lui creato con l'aiuto di un rivenditore di prodotti chimici. Klein fu ispirato a sviluppare l'IKB dopo aver cercato una tonalità di blu che liberasse efficacemente il vuoto infinito dello spazio, sradicando la divisione tra terra e cielo. L'IKB, ricco di blu oltremare, utilizzava un supporto trasparente e incolore (a differenza dei leganti tradizionali, che avevano un effetto opacizzante) per sospendere il pigmento puro e asciutto, mantenendone l'intensità originale.
Nel 1961 Klein riceve una retrospettiva al Museum Haus Lange di Krefeld, in Germania Ovest, e la sua prima mostra personale negli Stati Uniti alla Leo Castelli Gallery di New York. Nello stesso anno collabora con l'architetto Claude Parent al progetto di fontane d'acqua e di fuoco, Le fontane di Varsavia, per il Palais de Chaillot di Parigi. Nel 1962 Klein esegue un calco in gesso di Arman e partecipa ad Antagonismes 2: L'objet al Musée des arts décoratifs di Parigi. Klein è stato oggetto di una retrospettiva postuma alla Schirn Kunsthalle di Francoforte (2004-05), nonché della grande retrospettiva Yves Klein: With the Void, Full Powers (2010-11), presentata all'Hirshhorn Museum and Sculpture Garden, Smithsonian Institution, Washington, D.C., e al Walker Art Center, Minneapolis.
Klein è morto il 6 giugno 1962 a Parigi.