Родился 20 мая 1899 г. в Курске в семье железнодорожника.
В 1915-1917 гг. посещал занятия в Харьковском художественном училище. После Октябрьской революции в 1917 г. работал фотографом в уголовном розыске, в 1919-1920 гг. служил в Рабоче-крестьянской Красной армии, летом 1919 г. участвовал в обороне Курска от белых частей генерала Деникина, также занимался оформлением агитационных поездов и курских "Окон РОСТА".
В 1920-1925 гг. учился в Высших художественно-технических мастерских (Вхутемас) у Владимира Фаворского.
Широко известен как художник-монументалист, чьи работы наиболее ярко отражают дух эпохи. Они посвящены индустриализации, авиации, спорту, новому быту, военной тематике.
В 1937 г. выполнил три панно "Знатные люди Страны Советов" для павильона СССР на Всемирной выставке в Париже.
Мозаиками работы Дейнеки украшены потолки станций Московского метрополитена "Маяковская" (1938) и "Новокузнецкая" (1943).
В годы войны сотрудничал с редакцией плакатов "Окна ТАСС". В 1942 г. создал картину "Оборона Севастополя", считающуюся одной из наиболее значимых произведений советского искусства военного времени.
После войны создал мозаики для фойе актового зала главного здания Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (1956) и панно для Всемирный выставки 1958 г. в Брюсселе.
Помимо творчества активно занимался преподавательской деятельностью: в Высшем художественно-техническом институте (Вхутеин, 1928-1930), Полиграфическом институте (1928-1934), Московском институте изобразительных искусств (1934-1946, 1957-1963), Институте прикладного и декоративного искусства (1935-1952 гг., был директором института в 1945-1948 гг.), Московском архитектурном институте (1953-1957).
В 1947 г. стал действительным членом Академии художеств СССР. В 1962-1966 гг. был ее вице-президентом.
Скончался 12 июня 1969 г. в Москве на 71-м году жизни. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
Народный художник СССР (1963).
Герой Социалистического Труда (1969).
Был награжден орденом Трудового Красного Знамени (1962).
Лауреат Ленинской премии (1964).