En 1923 se trasladó a Milán, donde formó un grupo de vanguardia con otros artistas como Renato Guttuso, Giacomo Manzù y Aligi Sassu.
En 1937 era miembro del movimiento artístico llamado Corrente.
Ese mismo año fue arrestado por el gobierno fascista: en los años siguientes abandonó en gran medida la actividad artística y se dedicó a la propaganda comunista y, más tarde, al apoyo a la resistencia partisana.
Tras la SGM, en 1947, Birolli se trasladó a París.
Aquí su estilo pictórico cambió rápidamente bajo la influencia de Henri Matisse y Pablo Picasso, inclinándose primero por una postura poscubista y luego en una forma en cierto modo abstracta de lirismo.