В 1915 вместе с семьей переехал на Урал. В 1915–1917 создал ряд больших символических картин. В 1917 вернулся в Москву. Выступал с докладами в «Кафе поэтов». В апреле 1918 поехал к семье в Башкирию и вскоре оказался за линией Чехословацкого фронта. В 1918–1920 объездил с лекциями о современном искусстве Урал, Сибирь, Дальний Восток. Выпустил сборники стихов «Лысеющий хвост» и «Сибирь».

В 1920 выехал из Дальневосточной республики в Японию, в 1922 переехал в США и поселился в Нью-Йорке.

Вплоть до начала 1930-х произведения художника появлялись на выставках в Советском Союзе и выставках советского искусства за рубежом, в частности на Первой русской художественной выставке в галерее Ван Димена в Берлине (1922), выставке новейших течений в искусстве в Ленинграде (1927), выставке картин группы «13» в Москве (1931), выставке современного русского искусства в Филадельфии (1932) и других. Участвовал в международных выставках в Бруклинском музее (1923, 1927), художественных центрах Филадельфии (1926), Чикаго (1927). Провел ряд персональных выставок в галереях Нью-Йорка, Чикаго, Миннеаполиса, Кливленда, Сан-Франциско, Вашингтона. В 1940–1960-х сотрудничал с нью-йоркской галереей «Эй-си-эй».

Активно занимался также общественной деятельностью и литературой. В 1920–1930-х читал в рабочих клубах США лекции об СССР. Сотрудничал в американских и советских изданиях («Русский голос», «Новый мир»), где публиковал обзоры отечественных газет, статьи, фельетоны. Входил в литературные группы «Серп и молот» и «Джон Рид клуб». Выпустил несколько книг стихов и теоретическую работу «Энтелехизм», в которой провозгласил себя родоначальником пролетарской культуры и «первым большевиком в литературе». В 1930–1960-е вместе с женой издавал журнал «Цвет и рифма».

Бурлюк — один из лидеров русского художественного авангарда конца 1900-х — 1910-х годов, чья роль в искусстве и культуре этого времени не ограничивалась только лишь его собственным творчеством. Он занимался организацией выставок и диспутов, выступал как автор полемических статей, брошюр, листовок, манифестов, что дало основание В. В. Каменскому назвать его «отцом русского футуризма».

В раннем творчестве создавал произведения в импрессионистической манере. В 1910-е живопись и графика Бурлюка стали крайне условными и нарочито дисгармоничными. За рубежом писал портреты, натюрморты, пейзажи, городские сцены в манере, близкой примитиву, а также фантастические картины, в которых символика переплеталась с гротеском, — для них характерно сочетание грубого мазка с гладкой живописной поверхностью. В поздний период (1960-е) обратился к реалистической манере, выполнил в ней ряд пейзажей и портретов.

Произведения Бурлюка находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, ГМИИ им. А. С. Пушкина, музеях Метрополитен, Уитни в Нью-Йорке, Бруклинском, Бостонском художественных музеях и других.