Nace el 19 de febrero de 1899 en Rosario, provincia de Santa Fe. A los seis años de edad se traslada junto a su familia a Milán, donde cursa estudios técnicos. En 1922 regresa a la Argentina y trabaja en el taller de su padre, dedicado especialmente a la escultura funeraria. Hacia fines de la década, vuelve a Italia donde es alumno de Adolfo Wildt en la Academia de Brera.
En 1934 realiza experiencias con delgadas estructuras bifaciales, exhibidas en 1935 en la Primera muestra colectiva de arte abstracto italiano, presentada en Turín. Ese mismo año integra el grupo Abstraction-Creation. Art non figuratif, cuya sede se encuentra en París.
Realiza un proyecto para el Concurso Internacional para el Monumento al General Julio A. Roca y, en el mes de diciembre de 1936, forma parte del grupo abstracto lombardo que presenta dibujos y grabados abstractos en la Galería Moody de Buenos Aires.
Durante la Segunda Guerra Mundial se radica en Buenos Aires, realiza el monumento El Sembrador, para la ciudad de Rosario y colabora como escultor en el proyecto para el Monumento Nacional a la Bandera y para el Monumento al General San Martín a emplazarse en Quilmes, Provincia de Buenos Aires. Durante su estancia en la Argentina realiza exposiciones en la Galería Müller, en Impulso, en el Museo Municipal de Santa Fe, participa en muestras colectivas y salones. Se desempeña como docente en la Escuela de Artes Plásticas de Rosario, en las Escuelas de Bellas Artes Prilidiano Pueyrredón y Manuel Belgrano y en la Escuela Libre de Artes Plásticas Altamira, institución que organiza junto a Emilio Pettoruti, Jorge Romero Brest y Jorge Larco.
Si bien su producción argentina hasta 1946 muestra un marcado acento figurativo, junto a sus jóvenes alumnos trabaja sobre nuevas ideas, de las que, entre octubre y noviembre de 1946, surge el Manifiesto Blanco, redactado por Bernardo Arias, Horacio Cazenueve y Marcos Fridman y suscripto por un grupo mayor de compañeros. Posiblemente por su vínculo con la institución oficial, Fontana no firma este escrito, que aboga por la “superación de la pintura y la escultura para acceder a un nuevo arte de materia, color, sonido y movimiento”.
En 1942 obtiene el Primer Premio de Escultura en el XXXII Salón Nacional. En 1945 se suma al Salón Independiente, convocado por los artistas que se oponían al Salón Nacional.
Al regresar a Italia se establece en Milán, donde suscribe el I Manifiesto Espacialista con la participación de Giorgo Kaisserlian, Beniamino Joppolo y Milena Milani, en el que señala que “la obra de arte está sometida a la destrucción del tiempo [...] Una expresión de arte aérea de un minuto, es como si durase un milenio en la eternidad. A tal fin, con los recursos de la técnica moderna, haremos aparecer en el cielo formas artificiales, arco iris de maravilla, señales luminosas”.
En marzo de 1948 firma con Kaisserlian, Joppolo, Milani y Antonio Tullier el II Manifiesto del Espacialismo y presenta Escultura espacial en la Bienal Internacional de Arte de Venecia. Al año siguiente crea el Ambiente espacial con luz negra, en la Galleria del Naviglio, y luego, profundizando su búsqueda espacial en el ámbito pictórico, realiza los primeros “agujeros”.
En 1950 firma el III Manifiesto del arte espacial: Propuesta de un reglamento, junto a Milani, Joppolo, Roberto Crippa, Giampiero Giani y Carlo Cardozzo. Ese mismo año participa en la Muestra Internacional del Dibujo Moderno, realizada en Bérgamo y en el concurso para la quinta puerta de la catedral de Milán. En noviembre de 1951 suscribe el IV Manifiesto de Arte Espacial.
Después se suceden los ciclos de “Piedras” (obras con la aplicación de vidrios), “Tintas” y “Papeles”. En 1959 expone en la Galleria del Naviglio y en la Galerie Stadler de París el ciclo “Tajos”, en los que se propone la ruptura física del plano pictórico.
En 1964 Enrique Crispolti organiza un “Homenaje a Fontana”, en el ámbito de la reseña internacional Aspetti dell’arte contemporanea y en 1966 el Museum of Modern Art de Nueva York organiza la muestra itinerante Alberto Burri y Lucio Fontana.
En la Argentina, merecen destacarse las exhibiciones presentadas en el Instituto Torcuato Di Tella de Buenos Aires (1966), en el Museo Municipal Juan B. Castagnino de Rosario (1966).
Instalado en la vieja casa familiar de Comabbio, Fontana trabaja hasta sus últimos días en óleos, agujeros y tajos.
Fallece en Varese, Italia, el 7 de septiembre de 1968.