Rafael Domènech y Gallissà cursó estudios de derecho en la Universidad de Valencia, y estudios de bellas artes en la Escuela de esta ciudad. Muy pronto, sus intereses intelectuales se orientaron hacia la estética y la historia del arte. En 1898 ganó la cátedra de teoría e historia de las bellas artes en la Escuela de San Carlos de Valencia. Entonces se interesaba por el Modernismo y el catalanismo: «como todos los catalanes, pensamos y sentimos en catalán, y Cuando escribimos castellano, traducimos», dejó escrito en un texto sobre Rusiñol (La Lectura, 1901). Alexandre de Riquer diseñó en 1902 su exlibris y Ramon Casas le haga un retrato poco después (Barcelona, Museo Nacional de Arte de Cataluña, 1904). En Valencia ejerció como catedrático hasta 1903, y después ocupó el mismo lugar en la Escuela de Bellas Artes de San Fernando, en Madrid. Entonces aspiraban a aquella plaza Francisco Murillo Herrera, Narciso Sentenach, Armando Cotarelo y Valledor y Rafael Balsa de la Vega, entre otros.
Destaca su contribución a la Exposición Universal de Madrid en 1913 (Vilanova y la Geltrú, 1910) y su papel en el comité organizador del pabellón español en la Exposición Internacional de Artes Decorativas de París en 1925. El 1910 fue elegido por la Junta para la Ampliación de Estudios e Investigaciones Científicas para completar su formación sobre estos temas en el extranjero. Entonces se vio obligado a renunciar, pero la Junta le volvió a otorgar en 1914 una nueva pensión de dos meses para «estudios de la Organización y Funcionamiento de los Museos de Artes Industriales», según consta en la Real orden de concesión, aunque no pudo completar todo el período previsto debido al inicio de la Primera Guerra Mundial. En aquella época ya había sido, durante más de un año, director del Museo Nacional de Artes Industriales -que después se llamó Museo de Artes Decorativas, inspirado en el Museo de South Kensington de Londres. Fue nombrado para este cargo en enero de 1913, y ya era miembro del patronato de este museo. Ocupó este cargo hasta su muerte, así como el cargo de director de la Escuela Especial de Pintura, Escultura y Grabado de Madrid, para el que había sido nombrado en 1926, a petición del claustro de profesores.
La contribución de Rafael Domènech a la crítica de arte y al estudio de artistas contemporáneos se encuentra entre las más destacadas de su generación y constituye una faceta fundamental de su perfil intelectual. Aunque fue ajeno a cualquier complicidad vanguardista, mostró una gran atención hacia todos los artistas formados después del impresionismo, que interiorizan como el referente de la modernidad de su tiempo
Como historiador del arte, recibió el encargo de realizar el catálogo artístico y monumental de la provincia de Tarragona en 1909, que se conserva manuscrito en la biblioteca del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en Madrid, y publicó un buen número de trabajos de varios tipos sobre pintores españoles. Destaca La Casa del Greco (Barcelona, H. de J. Thomas; reeditado y traducido varias veces), en la colección «El Arte en España», promovida por el patronato Comisaría Regia del Turismo y Cultura Artística, a la que también se 'incluyen dos libros sobre Goya en el Museo del Prado, uno dedicado a las pinturas y otro, los tapices.
Murió de manera repentina en su casa, en la calle Huertas, número 84 y fue enterrado en el cementerio de la Almudena. Estaba casado con Soledad Amorós, con quien tenía un hijo, Jaime. Sus contemporáneos lo elogiaron por su vastísima cultura, el entusiasmo por el arte, las dotes docentes y la extraordinaria capacidad comunicativa.
