A New York-i felső középosztálybeli zsidó családból származó Lichtenstein már iskolai évei alatt festett, képzőművészeti kurzusokra járt és rajongott a dzsesszzenéért. Az Ohiói Képző- és Iparművészeti Főiskolára iratkozott be, tanulmányait a második világháború szakította félbe, 1943 és 1946 között a hadseregben szolgált. Diplomáját leszerelése után szerezte meg, s rögvest oktatói státuszt kapott az egyetemen. 1951-ben rendezett először önálló kiállítást New Yorkban, majd Clevelandben dolgozott ipari rajzolóként, rajztanárként és reklámtanácsadással is foglalkozott.

1956-ban készítette a Tízdolláros bankjegy című sorozatot, amelyen a szürrealista stílusjegyek mellett már feltűnnek a mindennapok ipari méretekben előállított tömegtárgyai, a fogyasztói társadalomra jellemző banális, ámde bálványozott jelképek. Lichtenstein 1957-től a New York-i állami, majd a Rutgers egyetemen tanított, miközben folyamatosan kísérletezett különböző témákkal és módszerekkel. Nagy hatást gyakorolt rá Allan Kaprow, a performanszművészet úttörője és az úgynevezett New Jersey-i iskola, amelynek tagjai arra törekedtek, hogy a mindennapi élet elcsépeltnek tűnő témáit bevonják a művészetbe. Másik inspirációforrása, kisfiának köszönhetően, az olyan rajzfilmfigurák lettek, mint Miki egér, Donald kacsa és Tapsi Hapsi.

Lichtenstein 1961-től kezdett olyan festményeket alkotni, amelyeket kizárólag képregényekből és rágógumi-csomagolásokról ismert figurák, valamint hirdetések szereplői népesítettek be. Bonyolult szerelmi és háborús történeteket sűrített egyetlen képbe, minimálisra redukált eszközökkel, a képregényekhez hasonlóan a tárgyakat, alakokat eltúlzott színekkel és vastag kontúrral rajzolta meg. Pointilista, úgynevezett Ban-Day technikával a képregénykockákhoz hasonlóan raszterhálók és festék segítségével hozott létre "pöttyös felületű" vásznakat, buborékokba írt szövegei szándékoltan hemzsegtek a közhelyektől. 1961-ben Look Mickey című képével keltett nagy feltűnést, ezt követte 1963-ban a képregény ihlette Whaam! és a Drowning Girl.

Művészetét sokan élesen kritizálták, vulgárisnak tartották, a Life magazin még azt is felvetette, nem Lichtenstein-e Amerika legrosszabb művésze. A kérdés éppen ellenkező hatást ért el, reflektorfénybe helyezte a festő munkáit, akinek neve immár egész Amerikában ismerősen csengett, a pop-art egyik vezető egyénisége lett. 1964-ben felkérték, hogy készítsen hatalmas freskót a New York-i világkiállítás állami pavilonjába, 1966-ban részt vett a Velencei Biennálén. 1967-ben és 1968-ban önálló kiállítást rendezett Pasadenában és a New York-i Guggenheim múzeumban, a hetvenes években már Európában, Amszterdamban, Londonban, Hannoverben és Bernben is kiállítása nyílt.

A hatvanas évek végétől stilizált tájképek, Picasso, Henri Matisse, Salvador Dalí műveinek újraértelmezett adaptációi kerültek ki a keze alól. Modern elnevezésű sorozatát geometrikus art deco elemek díszítik, az Ecsetvonások sorozat az absztrakt expresszionista stílus paródiája.

A múlt század nyolcvanas éveitől egyre többet foglalkozott nagyméretű köztéri munkák tervezésével és kivitelezésével, fémből, műanyagból, zománcból készült, festett alkotásai egyszerre képek és szobrok. Az ohiói Port Columbus nemzetközi repülőtér megrendelésére készült a majdnem nyolc méter magas Repülő ecsetvonások című szobra, a New York-i Equitable tornyot öt emelet magas freskója díszíti. E munkásságának betetőzése a Gaudí által ihletett, a barcelonai olimpia alkalmából 1992-ben felállított 20 méter magas, zománcozott csempével borított Barcelona Head című szobra.

Roy Lichtenstein 1997. szeptember 29-én halt meg New Yorkban. Az összetéveszthetetlen stílusú művész mintegy 4500 rajzot, festményt és nyomatot hagyott az utókorra. Művein jórészt washingtoni, New York-i és San Francisco-i múzeumok osztoznak, de európai galériák is őriznek szép számmal Lichtenstein-képeket, alkotásai láthatók a budapesti Ludwig Múzeumban is.

Az eddigi legnagyobb Roy Lichtenstein retrospektív kiállítás 2013 elején nyílt meg a londoni Tate Modern múzeumban, a tárlat jelenleg a párizsi Pompidou Centerben látható. Lichtenstein képei rekordáron kelnek el, a Christie's kortárs árverésén legutóbb egy pop-art absztraktjáért 56,1 millió dollárt fizettek.