Родился в Новгороде в семье артиллерийского офицера. Семья принадлежала к старинному литовскому роду. Окончил гимназию в Вильно. С 1895 по 1899 г. учился на юридическом факультете Петербургского университета. После первого курса пытался поступить в Академию художеств, но не был туда принят. Занимался в частных студиях. В 1899 - 1901 г.г. учился в Мюнхене в школе А. Ашбе. После возвращения в Петербург сблизился с "мирискусниками", стал одним из активных членов этого объединения, участвовал в выставках "Мир искусства".
Добужинский дебютировал как график - рисунками в книгах и журналах ("Мир искусства", "Аполлон" и др.), городскими пейзажами. В последствии художник оформил несколько десятков книг. Среди них книги современников художника - Федора Сологуба, Л. Зиновьевой-Аннибал, А. Ремизова, Вяч. Иванова, Г. Чулкова, С. Ауслендера и многих других, а также русских и зарубежных классиков - Г.-Х. Андерсена, Н. Лескова, Ф. Достоевского, А. Пушкина. Сотрудничал со многими журналами и издательствами ("Сатирикон", "Адская почта", "Жупел", "Золотое руно", "Шиповник", "Сириус" и др.). Именно графические работы принесли ему славу.
Занимался Добужинский также и станковой живописью. Вместе с Л. Бакстом преподавал в частной художественной школе Е. Званцевой, а позже в различных учебных заведениях.
Подобно многим художникам серебряного века Добужинский работал в театре. Начало его театральной деятельности связано с оформлением спектаклей в Старинном театре и Театре В. Комиссаржевской (1907-1908). Вскоре после этого художника пригласили в Московский художественный театр для постановки пьеса И. Тургенева "Месяц в деревне" (1909). В дальнейшем Добужинский продолжал сотрудничать с МХТ.
В 1924 г. при содействии Ю. Балтрушайтиса Добужинский принял литовское гражданство и уехал из России. Жизнь в эмиграции не была особенно благополучной для художника. Заказов на книжную графику практически не было. Исключением стали иллюстрированные Добужинским "Три толстяка" Ю. Олеши (1928) и "Евгений Онегин" А. Пушкина (1936).
Добужинский продолжал работать в театре. В 1925 г. он работал для Рижского театра, в 1926 - 1929 гг. - для парижского театра Н. Балиева "Летучая мышь". С 1929 г. он становится ведущим художником Государственного театра в Каунасе.
В 1939 г. художник выехал в США для работы с над спектаклем "Бесы" с М. Чеховым. Начавшаяся Вторая мировая война не позволила ему вернуться в Литву. Годы жизни в Америке были самыми трудными для художника - он часто испытывал материальные затруднения, жил в одиночестве, общаясь с узким кругом русских эмигрантов.
Умер в ноябре 1957 г. в Нью-Йорке.
На протяжении своей жизни Добужинский писал также стихи, которые должны были составить невышедший сборник "Тайны".