Cursa els estudis de Ciències Fisicomatemàtiques, continua la seva formació realitzant la carrera d’Arquitectura a Barcelona i, posteriorment, a la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando, de Madrid. Un cop finalitzats els estudis, viatja per tot Europa per tal de continuar formant-se i conèixer les noves tendències arquitectòniques.

Exemple primerenc de l’arquitectura modernista, és el primer edifici de l’Eixample de Barcelona de tipologia industrial, on Domènech i Montaner aplica per primera vegada el seu eclecticisme, la barreja de diferents estils històrics amb elements propis de la modernitat, com el maó vist o el ferro forjat.

En aquest edifici, que tenia la funció de cafè i restaurant de l’Exposició Universal, es pot veure clarament una de les grans inspiracions que va tenir l’arquitecte al llarg de la seva carrera professional: l’art medieval. Aquest edifici és la reinterpretació d’un castell medieval, on es trenca voluntàriament l’eix de simetria, una tendència que trobarem en altres edificis al llarg del Modernisme.

A finals del segle XIX a Reus li mancava un espai terapèutic per a malalts mentals, ja que el que existia fins al moment estaca totalment antiquat. Per això, un seguit de prohoms de la ciutat van aconseguir que Domènech i Montaner dissenyes el projecte de l’hospital psiquiàtric. Construït als afores de la ciutat, per tal que els pacients poguessin gaudir de l’aire fresc, es va plantejar com un seguit de pavellons independents, es considera el precedent de l’Hospital de Sant Pau de Barcelona.
Destaca, per la seva monumentalitat, el Pavelló dels Distingits, destinat per allotjar-hi els malalts que provenien de famílies burgeses de la ciutat amb alta capacitat econòmica.

Actualment coneguda com a “Hotel Espanya”, és una remodelació realitzada per Domènech i Montaner, juntament amb altres artistes del seu temps. Especialment al menjador principal és on trobem aquest treball conjunt entre artistes, ja que tenim obra de l’escultor Eusebi Arnau i del pintor Ramon Casas, autor del magnífic esgrafiat de la paret que representa un fons marí amb sirenes.

Casa que completa la famosa illa de la discòrdia, juntament amb Casa Batlló de Gaudí i Casa Amatller de Puig i Cadafalch. En el seu exterior, l’arquitecte s’inspira clarament amb l’arquitectura gòtica.
A la planta baixa, Domènech i Montaner hi va projectar un espai destinat a botiga, però que malauradament no es conserva, en les seves decoracions i destacaven unes escultures que representaven muses clàssiques i que van ser destruïdes just davant de la casa.

El 1905 es comença la construcció de l’auditori encarregat per l’Orfeó Català, considerat la màxima expressió del modernisme català. El Palau de la Música i l’Hospital Sant Pau foren premiats al concurs anual d’edificis artístics de l’Ajuntament de Barcelona dels anys 1905 i 1913, respectivament, i el 1997 la UNESCO els catalogà com a Patrimoni de la Humanitat.

En els últims anys de la seva vida Domènech i Montaner es distancia dels grans projectes arquitectònics per dedicar-se a la investigació arqueològica i històrica. Cal destacar els manuscrits sobre la història de Catalunya i l’heràldica catalana, redactats a la Masia Rocosa de Canet de Mar, on passa gran part del final de la seva vida, ja que pateix un càncer d’estómac que li fa delegar tota l’activitat professional en el seu fill Pere Domènech Roura. Mor a Barcelona als 73 anys i és enterrat al cementiri de Sant Gervasi de Barcelona, malgrat que la seva última voluntat era ser enterrat al panteó familiar de Canet de Mar.