Em sua cidade natal, começou a estudar desenho e pintura com Heinrich Moser, em 1922. Seguiu em 1925 para Paris, de onde retornou em 1926, fixando-se no Rio de Janeiro. Estudou pintura e desenho com Carlos Chambelland e foi aluno livre da Escola Nacional de Belas Artes (até 1930). Nessa escola, ao lado de Portinari, Teruz, Oswaldo Teixeira e outros, estudou modelo-vivo com Rodolfo Amoedo. Ainda no Rio, realizou cenários para teatro. Voltou para o Recife no início dos anos 30. É considerado um dos maiores muralistas brasileiros. Realizou individuais no Recife, em Salvador, São Paulo, Rio de Janeiro e Brasília. Participou diversas vezes da Bienal de São Paulo a partir de sua primeira edição, em 1951. Em 1993, inaugurou-se no Recife o Instituto Cultural Lula Cardoso Ayres. A respeito de seu trabalho escreveu o poeta Alberto da Costa e Silva em 1972: "O que é permanente, nesta obra que se modifica, moderniza e aprofunda, no decorrer de cinqüenta anos, é a fidelidade de Lula à aliança entre o conhecimento mágico e a captação da beleza de sua província natal, de um Pernambuco que em seus quadros assume uma verdade própria."