Nato a Verona il 10 dicembre del 1905, già giovanissimo manifesta un forte interesse verso la pittura che concretizzerà solamente nel 1925 iscrivendosi all’Accademia di Belle Arti della propria città. Espulso per indisciplina nel 1928 si trasferisce a Milano.

Qui svolge diversi lavori e conosce Edoardo Persico, il direttore della Galleria del Milione dove espone nel 1930, anno in cui partecipa anche alla Biennale di Venezia con due opere. Le opere di questo periodo,  presentano una ricerca di rigore e semplificazione formale volta a superare gli stilemi pittorici nazionali; ma è solamente dopo il viaggio a Parigi del 1936 che la pittura di Birolli si fa più marcatamente antinovecentista ispirandosi all’espressionismo europeo di Ensor, Kokoschka, Van Gogh e Matisse. Nel 1938 è tra i fondatori di Corrente. Negli anni Quaranta si intensificano le partecipazioni alle esposizioni sia all’estero che in Italia, inoltre partecipa attivamente alla Resistenza documentandone le atrocità in un ciclo di ottantasette disegni noti come Italia ’44. Nell’immediato dopoguerra è promotore insieme a Giuseppe Marchiori del Fronte Nuovo delle Arti.

Nel 1950 aderisce al  Gruppo degli Otto, patrocinato dal critico Lionello Venturi che chiama la pittura di Birolli e degli altri esponenti “astratto-concreta”; questi artisti seppur diversi tra di loro pervengono ad un comune linguaggio pittorico non figurativo: un’astrazione lirica libera dalla sudditanza al soggetto pur avendo un’origine concreta e naturale.  

Nella sua ultima produzione,  venuto a contatto con le nuove tendenze artistiche europee ed americane, abbandona gradualmente la componente figurativa per una composizione libera e una tecnica a “macchia” con risultati prossimi all’informale. Birolli è tra i migliori interpreti di un “ultimo naturalismo”, espressione coniata dal critico bolognese Francesco Arcangeli per definire un ambito che non considera la pittura informale come un’espressione delle proprie angosce, e neppure come manifestazione autonoma, autoreferente, ma come rappresentazione di una natura in decomposizione: il segno e la materia sono quelle della natura, non del sè una natura che si disfa nel colore e nella materia, appunto, ma che rimane proiezione, raffigurazione, sostituzione, in una frase sapiente rinnovamento della tradizione paesistica e della natura morta”.