Родился в семье провинциального иконописца. В 1891–1896 занимался у В. В. Коновалова и Г. П. Баракки в Студии живописи и рисования (Рисовальной школе) при Саратовском обществе любителей изящных искусств. В 1897 поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, которое окончил в 1904 по мастерской В. А. Серова и К. А. Коровина. В 1898–1901 принимал участиен в ученческих выставках (пейзажи), в 1901 – в Периодической Московского общества любителей художеств. В 1902 благодаря рекомендации Серова впервые вошел в число экспонентов «Мира искусства». В том же году вместе с К. С. Петровым-Водкиным работла над росписями церкви Казанской Божьей Матери в Саратове.

В 1904 стал инициатором саратовской «Алой розы» – первого коллективного выступления молодых мастеров «омсковской школы»; показал «Белые ночи», «Увядание», «Серебристые тополя», серию северных пейзажей. В 1905 сотрудничал в журнале «Искусство», с 1905 участвовал в оформлении «Золотого руна» (виньетки, обложки)ж. Где, кроме того, воспроизводились его станковые работы. Картины этих лет – «Голубой фонтан», «Утро», «Рождение весны», «Фонтан» и др. – экспонировались Московским товариществом художников (1905) и «Миром искусства» 919060; некоторые из них были отобраны С. П. Дягилевым для русской художественной выставки в Париже и Берлине (1906–1907).

После 1905–1906 о К. заговорили как об одной из ключевых фигур в новой московской живописи. Модернистская пресса отмечала главным образом его близость к символизма и стремление наследовать традициям В. Э. Борисова-Мусатова. «В основе творчества Кузнецова лежит тот же мусатовский романтизм, но у него он облечен в более пышные покровы личных переживаний и современных настроений, – писал Н. Я. Тароватый. – В его произведениях индивидуализм торжествует свою наиболее решительную победу» (см.: Золотое руно. 1906. № 3. С. 123–124). Точнее были оценки тех критиков, которые увидели у К. – «симфониста пленительных красочных изысканностей», как позднее назвал его С. К. Маковский, – прежде всего тяготение к «непосредственнной живописности», не к «музыкальным», а к «чисто живописно-пейзажным» образам и эмоциям.

В 1907 на выставке группы художников «Голубая роза» К. экспонировал нашумевшее «Рождение», «Белый фонтан», «Цвет акации», «Увядющее солнце». В 1907–1908 был одним из основных участников выставок «Стефанос» («Венок») и «Венок», в 1908–1910 Салонов «Золотого руна». В 1908 избран членом жюри парижского Осеннего салона.

В 1909–1914 центральное место в творчестве К. заняли «степные темы». Увлекшись Востоком, он регулярно проводил летние месяцы на кочевьях киргизов и калмыков. Результатом новых художественных впечатлений явились картины «Спящая в кошаре», «В степи», «Вечер в степи», «Киргизка», «В кошаре», «Стрижка барашков», «Устройство кошары», «Мираж в степи», впервые показанные в 1911–1912. Именно в этот период сложилась своеобразная живописная манера зрелого К., сочетающая, по мнению исследователей, тенденции символизма и примитивизма.

В 1910-е К. стал членом объединения «Мир искусства» и постоянным экспонентом его выставок (в 1911–1917, затем в 1921). Помимо «степного цикла», написал целую серию натюрмортов («Натюрморт с японской гравюрой», «Натюрморт с сюзане», «Натюрморт с зеркалом» и т. д.). В 1914 выступил как декоратор, оформил первую постановку Камерного театра (драму Калидасы «Сакунталы»). В 1916–1917 работал над иллюстрациями к «арбской сказке» Н. С. Гумилева «Дитя Аллаха».

После революции состоял в различных комитетах комиссиях, занялся преподаванием (до 1930 – профессор живописи во Вхутемасе-Вхутеине). Выполнял ряд портретов Е. М. Бебутовой, принадлежащих к числу его бесспорных художественных достижений. Экспонировался в галерее «Барбазанж» в Париже (1923), на ретроспективной выставке «Мастера “Голубой розы”» (1925), в залах Третьяковской галереи (1929, персональная выставка) и т. д. В 1928 получил звание заслуженного деятеля искусств РСФСР. В 1937 за панно «Жизнь колхоза» удостоен Серебряной медали на Международной выставке в Париже. В 1945–1948 преподавал в Московском центральном художественном училище. В 1940–1950-е писал пейзажи в Подмосковье и Прибалтике. В этот же период созданы знаменитые «букеты» («Букет», «Пионы на вернаде», «Три розы», «Розы в саду» и мн. др.). В 1956 и 1964 выставки кртин К. проходили в Москве и Ленинграде.