Erdélyi nemesi családból származott, Kolozsváron született. Gyermekkorában sokat betegeskedett, egyedüllétében kedvelte meg a papír és a rajzón társaságát.

A nagy múltú kolozsvári református kollégiumba járt, 1848-49 döntő hatással volt személyiségére és művészi arculatára. Apja kívánságára mérnöknek tanult a bécsi műegyetemen, de ösztönei, készségei és érzelmi beállítottsága miatt hamarosan a Képzőművészeti Akadémiára iratkozott át. Szülei anyagi helyzetének romlása miatt 1855-ben haza kellett térnie, évekig cégtáblákat festett, rajzot tanított és régi képeket javított. Egy pártfogója révén kapott meghívást az Aichelburg grófok csehországi birtokára, ahol számos portrét festett és meg is nősült.

1859-ben Münchenben kezdett újra tanulni, itt készült korai remekműve, az ifjúi lendületet és szakmai tudást egyaránt kifejező Önarckép, s első jelentős történelmi kompozíciója, a II. Lajos holttestének megtalálása. Egyéni stílusa az 1861-ben festett Dobozy és hitvese című történelmi képpel kezdett kibontakozni, jellemzői az akadémikus komponálás, a pszichikai jellemzés és a naturalisztikus anyagábrázolás.

1862-ben Pesten telepedett le, képein egyre nagyobb szerepet kapott a család. "Terveim: családi boldogságot festeni, gyermekeket, szép asszonyokat, a hősies témákat sem elhanyagolni..." - írta naplójába. Első itthoni nagyszabású művészi vállalkozása az 1866-ban festett Mohácsi vész volt, ezt követte a közismert, harcias hangulatú Egri nők, három évvel a kiegyezés után született a balladai tömörségű, súlyos mondanivalójú V. László és Czillei Ulrik.

1871-ben kinevezték a Mintarajztanoda tanárává, majd Lotz Károly halála után igazgatójának. Az 1870-es években témái közt megjelentek az érzelmekben gazdag életképek és az aktok. Székely, ellentétben kortársaival nem eseményeket, hanem érzelmeket festett, legszebb darabjainak is témája a szerelem (Zivatar, Csónakázó szerelmesek, Léda, Szeptember végén).

Élete utolsó évtizedeiben több nagy megbízást kapott, mint a pécsi székesegyház és a Szent Mór-kápolna falképei, a tihanyi apátság freskói, a Mátyás-templom falképei, díszítése és üvegablakai. Élete végéig festett, írt, tanított, 1910. augusztus 21-én érte a halál. Kívánságára Szadán temették el, ahol műteremlakásában kiállítást rendeztek be, s évente május második vasárnapján új tematikájú Székely-tárlat nyílik.

Székely Bertalan a magyar festészet széles látókörű, intellektuális beállítottságú művésze volt, műveiben az emberi élet szépségét és gazdagságát, feloldhatatlan ellentmondásaiban rejlő tragédiáját ragadta meg. Elsőként vetett fel nemzeti sorskérdéseket magas művészi szinten, főként a romantikus történelmi képein.

Életműve több ezer festményből és rajzból, művészetelméleti írásokból áll, ám vázlatainak és terveinek tanúsága szerint mindez csak töredéke annak, amit tervbe vett. Vívódó, gyötrődő zárkózott ember volt, aki az alkotást lelkiismereti kérdésnek tekintette, szenvedéllyel és megszállottsággal festett és írt.