Thorvald Hellesens malerier representerer i norsk kunsthistorisk sammenheng noe radikalt nytt. Med tilhold i Paris fra 1912 og påvirket av tidens strømninger malte han abstraherte bilder i kubistisk stil, påvirket både av Pablo Picasso og Fernand Léger. Senere utviklet han arbeidene i mer dekorativ retning.
Hellesen vokste opp i Kristiania. Etter examen artium 1906 gikk han et år på Krigsskolen, men brøt over tvert og satset på en karriere som kunstner. Hanss formelle kunstutdannelse begrenset seg til kunstakademiet i Kristiania, som elev av Christian Krohg 1910–11. Allerede under akademiets elevutstilling 1911 ble hans arbeider lagt merke til; kunstkritikeren Jappe Nilssen spådde ham en lysende fremtid innen norsk kunst. Hellesen reiste så til kunstmetropolen Paris, hvor han bosatte seg, giftet seg med malerinnen Hélene Perdriat og oppholdt seg resten av sitt liv. Han avla Norge kun korte besøk etter dette.
Fra rundt 1914 var Hellesens arbeider preget av orfismen (en kunstretning der komposisjonen bygges opp bare ved hjelp av farger) og en konstruktiv form for kubisme som nærmer seg det nonfigurative. Dette billedspråket perfeksjonerte han rundt 1915. Musikkinstrumenter, stilleben og mennesker er som regel bildenes utgangspunkt, men abstraheres kraftig, slik at utgangspunktet kan være vanskelig å gjenkjenne. Komposisjonene er som regel komponert rundt en midtakse, bygd opp av geometriske former. Enkelte av arbeidene fra 1916 er sterkt preget av Picasso og hans syntetiske kubisme. I andre fraviker imidlertid Hellesen den faste billedstrukturen og eksperimenterer med en uttrykksform mer i retning av Francis Picabias kunst; en langt mer utflytende og uoversiktelig billedstil. Fra 1915 og fremover inkluderes ofte elementer av collage i komposisjonene, f.eks. sølvpapir, trebiter og andre objekter.
Hellesen viste sine arbeider i Norge i Tivolis utstillingsbygning i Kristiania 1919. Utstillingen omfattet bilder fra de siste 7–8 år. På denne tiden var Hellesen godt integrert i avantgardemiljøet i Paris. Han var bl.a. blitt kjent med billedkunstneren Fernand Léger og kretsen rundt Léonce Rosenberg og hans galleri L'Effort Moderne.
Thorvald Hellesen deltok ved atskillige utstillinger i Paris, bl.a. Salon des Indépendants (fra 1920–25) og La Section d'Ors utstillinger i Galerie la Boëtie i Paris i mars 1920, samt de påfølgende utstillinger i Nederland og Belgia. Han oppnådde å få anerkjennende omtale fra teoretikere og kunstskribenter som Amédée Ozenfant, Maurice Raynal og Theo van Doesburg.
Rundt 1920 utviklet Hellesens formspråk seg i retning av Légers “maskinkubisme”; figurative elementer settes opp mot nonfigurative i harmoniske komposisjoner som fungerer som et “maskineri”. Komposisjonene, som inneholder sylinder- og rørlignende former, balustrader, trapper, vaselignende figurer og bokstaver, settes opp mot en bakgrunn av horisontaler og vertikaler. Bildenes koloritt er i denne perioden preget av kontrasterende signalfarger.
I første halvdel av 1920-årene endret Hellesens formspråk seg i mer plankubistisk retning, trolig influert av Albert Gleizes' kunst. Forandringen kom parallelt med Hellesens beskjeftigelser med anvendt kunst; han utarbeidet i Paris mønsterutkast til tekstil- og tapetindustrien, og utførte også plakater og sceniske prosjekter.
1925 deltok Hellesen på den store internasjonale utstillingen L'Art d'Aujourd'hui i Paris sammen med en rekke andre ledende innen avantgarden. Det var den første internasjonale utstilling med avantgardekunst etter krigen og en prestisjetung mønstring. Trolig var dette den siste utstillingen han deltok i. Formspråket forandret seg ytterligere etter dette, koloritten dempet seg, og komposisjonene fikk et mer dekorativt preg. Hellesen engasjerte seg, som mange andre billedkunstnere i 1920-årenes Paris, med utsmykningsarbeider for den nye avantgardearkitekturen. Léger og Le Corbusier var svært opptatt av å forene maleri og arkitektur, og dette preget følgelig kretsen rundt dem. Hellesen utførte dekorasjoner av plankubistisk karakter for Sjøfartsbygningen i Kristiania (påbegynt 1923) og fargesatte eksteriøret i St. Annæ Passage i København (1936–37). Videre utførte han en rekke store malerier med stiliserte menneskefigurer som var tenkt som en dekorasjon til en dansesal (1928).
Omkring 1930 ble Thorvald Hellesen mer isolert i det franske kunstmiljøet. Han livnærte seg i denne tiden bl.a. som filmskuespiller. 1937 ble han svært syk fraktet hjem til Norge, hvor han døde kort tid etter.