Nacido en una familia de artistas —su padre, Juan Antonio Benlliure Tomás, fue marinero, pintor y decorador y es hermano de los pintores Blas y José y del escultor Mariano—, residió con sus hermanos en Madrid y Roma después de estudiar en la Academia de Bellas Artes de San Carlos de Valencia. Segunda medalla en la Exposición Nacional de 1887, cultivó principalmente el retrato y, desde 1907, fue profesor de pintura en la Escuela de Bellas Artes de San Fernando de Madrid, al tiempo que conservador de los frescos de la ermita de San Antonio de la Florida.  

El CBA es propietario de dos de sus obras: un maravilloso cartel encargado por la institución para su célebre Carnaval en 1898, que se encuentra actualmente en el vestíbulo de la tercera planta, y un óleo en el que aparece retratada la Infanta María Teresa de Borbón.