Nasceu no Rio de Janeiro, Brasil em 1 de Dezembro de 1851;
e morreu na mesma cidade em 1931.

Estudou na Academia Imperial de Belas-Artes, e em 1872 foi para a Europa, onde estudou com Paul Cabanel e com Pedro Américo, em França e em Itália. Expôs no Salon de Paris de 1874 o quadro Paolo e Francesca. A sua técnica e sensibilidade evidenciam-se mais no desenho de figuras femininas. Abordou primeiro temas religiosos, tendo ganho uma medalha de ouro na Exposição oficial de 1879, no Rio de Janeiro, com um São Jerónimo, mas depois tornou-se retratista reconhecido tendo-se mostrado, nesta técnica, mais liberto dos convencionalismos. 

Regressado ao Brasil em 1881, Décio Vilares trabalhou também em escultura realizando vários bustos de personagens históricas, e  desenhou caricaturas para jornais satíricos. Católico, Décio Vilares converteu-se em Paris ao positivismo, tornando-se republicano, tendo pintado uma Queda do Cristianismo e uma Virgem da Humanidade para o Templo da Religião da Humanidade, a igreja positivista de Paris. O desenho da actual bandeira do Brasil, foi executado por Décio Vilares, de acordo com a ideia de Raimundo Teixeira Mendes. A sua viúva incendiou o atelier onde trabalhava tendo-se perdido uma parte importante da sua obra.