1902年京城（現・韓国ソウル）に生まれる。1927年東京美術学校（現・東京藝術大学）卒業。同期の岡田謙三、荻須高徳らと上社会を結成。同年、荻須とともに渡仏。渡仏中の佐伯祐三の制作姿勢に強く影響受け、又、オシップ・ザッキンのアトリエに通い、立体派風の作品を制作する。1931年に帰国した後、自然を単純な形態と色面に還元しフォーヴ的性格をもった抽象的な作風の作品制作を開始する。同年二科展に出品。抽象的な作風が注目される。

1938年二科会会友となる。1953年日本アブストラクト・アート・クラブを結成し、翌年同会員として第18回アメリカ抽象美術展に出品。1961年芸術選奨文部大臣賞受賞。1965年ニューヨーク近代美術館主催の「新しい日本の絵画・彫刻展」に出品。1974年武蔵野美術大学教授を務める。1980年東京国立近代美術館で「山口長男・堀内正和展」が開催。1983年、歿。