Мстислав Добужинский родился 2 (14) августа 1875 г. в Новгороде. Его отец служил в петербургском Михайловском артиллерийском училище и вышел в отставку в звании генерал-майора. После рождения сына родители разошлись, и мать, артистка, певица и либералка уехала. Отец забрал сына на воспитание, и всё своё детство он делил между любящими его родителями, поочерёдно проживая то у одного, то у другого. Гимназию окончил в Вильне. Учился в Петербурге в Императорской школе общества поощрения художеств (1885—1887), в школе Антона Ажбе и у Ш. Холлоши (Мюнхен, 1899—1901).
Участвует в выставках с 1902. Член объединения «Мир искусства». Одним из первых оценил талант М. К. Чюрлёниса. Первый директор Витебского художественного училища (1919). Работал над оформлением спектаклей БДТ в первые годы его работы. Преподавал в Петербурге в частных художественных школах, с 1922 г. был профессором Академии художеств в Петрограде.
В 1924 году при содействии Ю. Балтрушайтиса художник принял литовское гражданство и уехал из России. В 1925 г. работал для Рижского театра, с 1926 по 1929 год — для парижского театра Н. Ф. Балиева «Летучая мышь». С 1929 году Добужинский — ведущий художник литовского Государственного театра (Каунас). Преподавал в частной художественной школе, сотрудничал в литовских изданиях. В 1935 году с группой каунасского театра уехал в Англию.
Масон. Был членом парижской масонской ложи «Юпитер» № 536 находившейся под эгидой Великой Ложи Франции. Прошёл посвящение 20 октября 1927 года. Возведён во 2-ю степень 21 июня 1928, в 3-ю степень — 17 января 1929 года. Оставался членом ложи по 1938 год.
С 1939 года жил в США. Добужинский скончался 20 ноября 1957 года в Нью-Йорке.
В начале творческого пути (1902—1905) испытывал влияние югендстиля и известнейших художников Серебряного века — А. Н. Бенуа и К. А. Сомова. По стилю Добужинский был близок к символистам.
По его словам, в его любимом городе Петербурге его как художника интересовали не столько общепризнанные красоты, сколько детали «изнанки» — закоулки, дворы и тому подобное.
Работал в области станковой и книжной графики (оформлял журналы «Мир искусства», «Золотое руно», «Аполлон»), подобно другим членам «Мира Искусства» писал исторические картины («Пётр Великий в Голландии»). Оформлял театральные спектакли Московского художественного театра («Месяц в деревне» И. С. Тургенева, 1909; «Николай Ставрогин» по Ф. М. Достоевскому, 1913), антрепризы С. П. Дягилева и др.