En sus inicios sevillanos, su estilo era el del naturalismotenebrista, valiéndose de una luz intensa y dirigida; su pincelada densamente empastada modelaba las formas con precisión, y sus colores dominantes eran tonos tostados y carnaciones cobrizas.

En Madrid, al estudiar a los grandes pintores venecianos en la colección real, modificó su paleta y pasó a pintar con grises y negros en lugar de los colores terrosos. Todavía hasta el final de su primer periodo madrileño siguió pintando sus personajes con contornos precisos y destacándolos de los fondos con pinceladas opacas.

En su primer viaje a Italia realizó una radical transformación de su estilo. En este viaje el pintor ensayó nuevas técnicas, buscando la luminosidad. Velázquez, que había ido desarrollando su técnica en los años anteriores, concluyó esta transformación a mediados de 1630, donde se considera que encontró su lenguaje pictórico propio mediante una combinación de pinceladas sueltas de colores transparentes y toques precisos de pigmento para resaltar los detalles.

A partir de La fragua de Vulcano, pintada en Italia, la preparación de los cuadros cambió y se mantuvo así el resto de su vida. Se componía básicamente de blanco de plomo aplicado con espátula, que formaba un fondo de gran luminosidad, complementado con pinceladas cada vez más transparentes.

Esta evolución se produjo debido al conocimiento de la obra de otros artistas, especialmente la colección real y los cuadros que estudió en Italia. También por su relación directa con otros pintores, como Rubens en su visita a Madrid y los que conoció en su primer viaje a Italia. Velázquez, por tanto, no hacía como los otros pintores que trabajaban en España, que pintaban superponiendo capas de color. Él desarrolló su propio estilo de pinceladas diluidas y toques rápidos y precisos en los detalles. Estos pequeños detalles tenían mucha importancia en la composición. La evolución de su pintura prosiguió hacia una mayor simplificación y rapidez de ejecución. Su técnica, con el paso del tiempo, se volvió más precisa y esquemática. Fue el resultado de un amplio proceso de maduración interior.

El pintor no tenía la composición totalmente definida al ponerse a trabajar; más bien prefería ajustarla según iba progresando el cuadro, introduciendo modificaciones que mejorasen el resultado. Raramente hacía dibujos preparatorios, simplemente hacía un bosquejo de las líneas generales de la composición. En muchas de sus obras sus célebres correcciones se aprecian a simple vista. Los contornos de las figuras se van superponiendo en el cuadro según modificaba su posición, añadía o eliminaba elementos. A simple vista se pueden observar muchos de estos ajustes: modificaciones en la posición de las manos, de las mangas, en los cuellos, en los vestidos.Otra costumbre suya era retocar sus obras después de concluidas; en algunos casos estos retoques se produjeron mucho tiempo después.

La paleta de colores que empleaba era muy reducida, utilizando en toda su vida los mismos pigmentos. Lo que varió con el tiempo es la forma de mezclarlos y aplicarlos.

El grado de acabado es otra parte fundamental de su arte y depende del tema. Las figuras —en particular cabezas y manos— son siempre la parte más elaborada; en el caso de los retratos de la familia real, están mucho más trabajadas que en los bufones, donde se tomó las mayores libertades técnicas.