Nació en el Estado de México, pero desde muy joven se trasladó con su familia a la ciudad de México. En 1858 ingresó a la Escuela Nacional de Bellas Artes, antigua Academia de San Carlos, donde fue discípulo de Eugenio Landesio, quien lo instruyó principalmente en el tema del paisaje, los juegos de luces y la perspectiva. Fue justamente su mentor quien descubrió las cualidades que lo llevarían más tarde a dedicarse al paisaje; así, en 1868, gracias a su talento, le fue otorgada la plaza de profesor de Perspectiva en la Academia. Posteriormente, Velasco acudió a clases de geología en el Palacio de Minería, y se inscribió también en las de botánica y zoología en la Escuela de Medicina, materias gracias a las cuales depuró su técnica en el dibujo e hizo un análisis exhaustivo y científico de la naturaleza. Ese aprendizaje lo aplicó después en sus creaciones. Derivada de esos estudios, procedió la publicación La flora en el Valle de México. Se desempeñó también como presidente de la Sociedad Mexicana de Historia Natural. En 1882 trabajó como dibujante en el Museo Nacional. En 1889 fue designado delegado oficial del gobierno mexicano en la Exposición internacional de París y se le otorgó la condecoración de Caballero de la Legión de Honor. Por su producción plástica, fue merecedor de becas, premios y medallas, algunos de ellos entregados por Maximiliano de Habsburgo y Porfirio Díaz. En la época en que José María Velasco ingresó a la Academia de San Carlos, el tema recurrente entre los pintores era la figura humana, y el hecho de haberse dedicado a plasmar la naturaleza lo perfiló como un innovador y lo condujo a ocupar un papel preponderante en la historia del arte del siglo xix en cuanto a importancia, originalidad y cantidad de lienzos, por lo que sus creaciones encuentran equivalencia en el arte académico decimonónico. Si bien en sus inicios sus obras tuvieron la influencia de Landesio, poco a poco se separó de esas directrices académicas y logró una personalidad propia y bien cimentada al enfocar su interés en la belleza del Valle de México y sus alrededores. Murió en 1912, en la capital de la República. En reconocimiento a su trabajo, en 1962 se inauguró la Galería José María Velasco en la ciudad de México y, en 1992, abrió sus puertas el Museo José María Velasco, en Toluca, Estado de México, el cual exhibe pinturas que abarcan diferentes periodos del artista y sus contemporáneos.