Giunge a Firenze nel 1843 e frequenta l'Accademia di Belle Arti dove è allievo di Servolini, di Gazzarini e infine di Giuseppe Bezzuoli.
Nel 1844 è presente alla scuola di Luigi Mussini, pittore purista, che gli infonde una profonda passione per l'arte.
Nel 1848 si arruola volontario con un gruppo di universitari; successivamente passa sotto l'insegnamento di Antonio Ciseri che lo sollecita a dipingere il suo primo quadro, "L'incredulita' di San Tommaso".
Nel 1850 è di nuovo all'Accademia fiorentina; in questo periodo conosce Giovanni Fattori, Luigi Bechi, Telemaco Signorini e dal 1854 inizia a frequentare il caffè Michelangelo; risalgono a questo periodo i suoi primi esperimenti di pittura all'aperto che proseguono nel decennio successivo insieme a Signorini e Odoardo Borrani a Piagentina, un sobborgo alla periferia meridionale di Firenze.
E' per l'artista un momento di serenità e di fervore creativo; partecipa alle esposizioni delle Promotrici italiane e ottiene un discreto successo.
I quadri di quegli anni sono intessuti di lirica domesticità, ispirata dalla quiete borghese della famiglia della fidanzata, Virginia Batelli; nascono in quel clima alcuni suoi capolavori tra i quali "La visita" e "Il dopo pranzo".
In essi il realismo delle immagini caratterizzate da una lucidità ottica e da un nitore compositivo eccezionale, sembrano eludere la poetica della macchia per riallacciarsi alla formazione purista del pittore o ad un personale e moderno riferimento alle fonti della pittura toscana del Quattrocento.
La sua affermazione avviene nel 1870 alla Mostra Nazionale di Parma quando vince la medaglia d'argento, ma nello stesso anno la morte di Virginia lo porta a tornare a vivere a Modigliana.
Al 1872 risale l'inizio di una malattia agli occhi che in futuro provocherà disturbi sempre maggiori alla sua attività di pittore; dopo un periodo di forte depressione che lo allontana dalla pittura per alcuni anni, con l'amico Borrani apre una galleria d'arte e l'amicizia con Adolfo Tommasi lo induce a partecipare nuovamente a rassegne pubbliche.
Agli inizi degli anni Ottanta dell'Ottocento la sua pittura persegue nuove linee di ricerca sulla scia delle proposte francesi di cui il critico Diego Martelli, attraverso il soggiorno a Parigi, si era fatto portavoce in Italia.
Inizia quindi una fase caratterizzata dall'abbandono della lucida oggettività degli anni precedenti, per una pittura più mossa e animata, dalle forme sfatte nel colore e nella luce; la tensione emotiva che scaturisce dai dipinti di fine secolo, riflette la sua condizione esistenziale di isolamento e solitudine.
Appartengono a questo periodo i più intensi ritratti di Lega e alcuni dei suoi paesaggi tra i più cromaticamente accesi.