山西汾阳人。1920年赴日本留学，入东京川端洋画学校，1922年考入东京美术学校(现东京艺术大学)西洋画科,受业於日本著名。油画家藤岛武二,毕业後留在该校研究部再深造两年，1928年回国。受蔡元培先生之聘任北平大学造型艺术研究会导师，後来该会改为西画系，卫天霖也升为主任。同时也应沈尹默先生之聘在东华门北河沿的孔德学校任教，後来中法大学孔德文艺学院在阜成门外成立，又被任命为艺术部主任。40年代曾在国立北平艺专（当时杨仲子先生为校长）、华北大学文艺学院和北平私立女子西洋画学校任教。1949年以後先後任北师大教授、北京艺术师范学院副院长、北京艺术学院副院长、北京中央工艺美院教授。中国美术家协会会员。1980年在中国美术馆举办“卫天霖油画回顾展”,1998年在北京国际艺苑美术馆举办“卫天霖诞辰100周年画展”。 

    中国西画运动史上有个非常特殊的现象,凡是游离於美术运动之外的画家,他的画艺即使高超,也无法施展他对画坛的影响力,历史也容易将其遗忘。卫天霖即是个明显的例子(当然还有李铁夫等人)。卫天霖自从由日本归国後就一直在北京从事美术教育和油画创作，生性淡泊、交游不广，独自保持着近乎封闭的作画热情，更没有参与当时纷繁复杂的画事活动。这使得他的画始终能保持一种纯净的境界，这种境界既包括审美的纯粹性，也包括作画心态的平和性。卫天霖的尊师藤岛武二曾留法、留意五载，是将法国印象派技法带回日本的名教授之一，极力提倡“东方艺术要有东方特色”的艺术观点。当时整个东京美术学校被法国外光派技法所垄断，对中国留日学生的画风也大有影响。卫天霖的印象派画风，以此为源，贯其一生。40年代後逐渐融合一些後印象派、野兽派和中国民间造型的色彩、笔法的意趣，尤其是他家乡山西泥塑、年画的趣味，形成卫天霖式的浓丽苦涩、斑驳厚重的油画风格。