Darío de Regoyos y Valdés nació en Ribadesella el 1 de noviembre de 1857. Era hijo del arquitecto Darío de Regoyos Molenillo, nacido en 1815 en Cabezón de Pisuerga, y de Benita Valdés Sieres, natural de Gijón. Siendo todavía niño, la familia dejó la villa asturiana para instalarse en Madrid, la ciudad donde transcurrieron su infancia y su juventud. El padre murió allí el 13 de enero de 1876. Ese mismo año, de vuelta en Ribadesella, el muchacho firmó, fechó y tituló un retrato a grafito y carboncillo de un niño del lugar, Manolito Pendás. El dibujo pertenece hoy a la Fundación MAPFRE, que lo conserva con el número de inventario FM000320.
Entre 1877 y 1878 cursó Paisaje en la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando, bajo la dirección de Carlos de Haes. En 1879 partió hacia Bruselas, donde se alojó con dos amigos músicos, Isaac Albéniz y Enrique Fernández Arbós. Por recomendación de Haes buscó allí a Joseph Quinaux, que años antes había sido maestro del propio Haes, y durante dos años tomó lecciones en su taller. En el año lectivo 1879-1880 se inscribió además en la École Royale des Beaux-Arts, en la clase de dibujo de cabezas al antiguo que dictaba Joseph van Sevendonck.
En 1881 ingresó en L'Essor, un círculo de artistas bruselenses, y su primer envío, de cuatro obras, llegó al VI Salón del grupo, inaugurado el 7 de enero de 1882. En noviembre de ese año el poeta Émile Verhaeren escribió sobre la muestra en La Jeune Belgique, y nació así una amistad que duraría hasta la muerte del pintor. En 1883 Regoyos estuvo entre los fundadores de Les XX, la agrupación que animaba Octave Maus, y fue su único miembro no belga. Ese mismo año, el 1 de abril, participó junto a Van Rysselberghe en la muestra colectiva Notes de voyage del Palais des Beaux-Arts de Bruselas, que reseñó Georges Rodenbach. Entre el 24 de agosto y el 4 de noviembre colgó tres obras en el Salón de Gante, que Verhaeren comentó en La Jeune Belgique. Durante una década participó en nueve de sus diez exposiciones, hasta que el grupo se disolvió en 1893. En la tercera, inaugurada el 6 de febrero de 1886, envió doce obras, y en 1889 compartió las salas con Georges Seurat, que ese año participó como invitado. En ese ambiente su compañero Théo van Rysselberghe lo retrató tocando la guitarra, un lienzo que hoy pertenece al Museo del Prado.
Su vida empezó entonces a repartirse entre Bélgica y el norte de España. En 1883 se estableció en Irún, en la llamada Casa del Cura de la calle de la Estación, donde vivió hasta junio de 1890. Al año siguiente de su llegada, Constantin Meunier le pintó un retrato. En 1888 invitó a Verhaeren a recorrer España con él. Viajaron juntos hasta Burgos, donde el poeta lo dejó, y Regoyos siguió solo hasta San Vicente de la Sonsierra. Ese año murió también su madre.
Entre 1886 y 1889 expuso y vendió obra en París, en la Librairie de la Revue Indépendante, y en 1890 participó por primera vez en el Salon des Indépendants, al que volvería en 1892, 1893, 1895, 1901, 1904 y 1911. En agosto y septiembre de 1891 hizo su primer viaje a Asturias en compañía del musicólogo Charles Bordes, y recorrieron, entre otros lugares, Avilés, Cudillero, Mieres y Covadonga. En agosto de ese año pintó del natural una antigua panera al pie del monte Naranco, al norte de Oviedo, con el palacio prerrománico en lo alto de la composición. Es el óleo sobre tabla catalogado como "Hórreo (Asturias)"", que el Museo del Prado compró en 2017 en la casa de subastas Segre de Madrid y registra con el número P008264.
En 1892 el jurado de la Exposición Nacional de Bellas Artes rechazó los dos cuadros que había presentado. Bruselas siguió siendo su escaparate principal. Tras la disolución de Les XX, Maus fundó en 1894 La Libre Esthétique, y Regoyos expuso varias veces en ese salón entre 1894 y 1914. En la edición de 1895, abierta del 22 de febrero al 1 de abril, presentó un pastel, y Verhaeren le dedicó una serie de cinco artículos. En abril de ese año expuso en Rouen junto a Pissarro, y el coleccionista François Depeaux le compró una obra. También en 1895 participó en la muestra de impresionistas y simbolistas de la galería Le Barc de Boutteville.
El 19 de octubre de 1895, a las ocho de la mañana, se casó en la basílica de Santa María de Begoña con Henriette de Montguyon y Vingart, que tenía entonces diecinueve años. Dos años después Camille Pissarro lo puso en contacto con el marchante Paul Durand-Ruel, y entre el 18 de marzo y el 3 de abril de 1897 colgó dieciséis pinturas en su galería de París. Ese mismo año publicó una carpeta de quince litografías de tema vasco. Con Durand-Ruel volvería a exponer en 1901, 1902, 1903, 1905 y 1911.
En 1898 Barcelona le dio su primera exposición individual en España, en Els Quatre Gats, y desde esa ciudad se preparó también la edición del viaje de 1888. La revista Luz anunció en su número 6, en la tercera semana de noviembre de 1898, la próxima aparición de España negra. Entre los números 8 y 12 adelantó parte del texto, hasta que dejó de publicarse. El libro salió a comienzos de 1899 de la imprenta de P. Ortega, con el texto de Verhaeren, veintisiete grabados y siete tacos originales de boj. Miguel Utrillo lo reseñó el 2 de marzo en Quatre Gats, y el 18 de marzo Rubén Darío publicó un artículo con el mismo título del libro. Por esos años Ramón Casas lo dibujó a lápiz. Santiago Rusiñol, que lo ayudó económicamente, incorporó dos de sus obras a su colección del Cau Ferrat, en Sitges.
En 1900 volvió a Asturias. Ese mismo año pintó "El baño en Rentería", el óleo que el Ayuntamiento de Bilbao entregó en 1913 al Museo de Bellas Artes de la ciudad, donde todavía se conserva. Los primeros años del nuevo siglo trajeron golpes en la familia: murió el tercero de sus hijos y Henriette sufrió una crisis nerviosa. En medio de esas penurias, entre 1901 y 1905, Regoyos se retrató a sí mismo en el reverso de una tabla en la que había pintado un paisaje de Valmaseda en 1895. Ese autorretrato fue de Rodrigo Soriano, y en 1985 la Consejería de Cultura lo compró a pedido del Museo de Bellas Artes de Asturias. En el otoño de 1902 pintó en Ategorrieta, junto a San Sebastián, "El paso del tren", una tabla que pertenece a la colección Carmen Thyssen-Bornemisza y se exhibe en préstamo gratuito en el museo que lleva ese nombre en Málaga. Desde 1903 y hasta junio de 1905 la familia vivió en el número 8 de la calle Trueba, en San Sebastián.
La Exposición Nacional de 1904 admitió por fin una obra suya, y el crítico Cánovas la comentó con sarcasmo en La Época. Ese mismo año integró la sección española de La Libre Esthétique junto a Francisco Iturrino, Joaquín Mir y Rusiñol. En febrero de 1905 viajó con Pío Baroja a Córdoba, Ronda y Málaga, y llegaron a Granada. Ese año pintó "Sierra Nevada", una vista de Granada que Regoyos regaló a Van Rysselberghe como recuerdo de los viajes que habían hecho juntos por España. Tras la muerte de ambos pintores volvió al país y hoy integra la colección de la Fundación Banco Santander.
En junio de 1905 Henriette fue internada en el sanatorio de Santa Águeda, en Mondragón, donde permaneció hasta el 1 de marzo de 1906. Para estar cerca, Regoyos alquiló un piso en Durango, en la Artecalle número 6. Tras el alta, la familia regresó a la casa de la calle Trueba, y en agosto de 1906 tomó baños en la Fonda de las Delicias de Elorrio. Ese año el pintor participó además en una gran exposición en Frameries, en el Borinage belga, organizada por Louis Piérard. El 4 de marzo de 1907, por consejo médico de alejarse del mar, se instaló en Durango, en el número 46 de la calle Olmedal, y alquiló además un taller en Iurreta. En ese edificio tenía por vecino a Eusebio Zuloaga. En el Duranguesado pintó cerca de cuarenta óleos. El 6 de septiembre de 1907 se mudó a Bilbao, al tercero izquierda del número 22 de la calle Espartero, sin dejar la casa de Durango. Allí pintó en 1908 "Altos hornos de Bilbao", una vista de la margen oeste de la ría del Nervión. La tela perteneció a la colección Graells y hoy está en la Fundación Banco Santander. Ese mismo año envió a La Libre Esthétique una vista de Durango.
En 1909 se trasladó a Guecho, donde lo atendió el médico Juan Antonio Gádiz, y Daniel Vázquez Díaz le pintó un retrato. En el verano de 1910 hizo su tercer viaje a Asturias, que lo llevó a Llanes, a su Ribadesella natal y a San Antolín de Bedón. Pasó sus últimos tres años en Barcelona, donde le diagnosticaron un cáncer de lengua que lo dejó sin habla. Su última exposición fue en las Galeries Dalmau, entre marzo y abril de 1913. El 10 de abril de ese año Van Rysselberghe escribió desde Granada una carta sobre el estado de su amigo. Regoyos murió en Barcelona el 29 de octubre de 1913.
Al año siguiente La Libre Esthétique le dedicó su última edición, un homenaje promovido por Verhaeren, Van Rysselberghe, Ignacio Zuloaga y Maus. En París, la Galerie Choiseul organizó una retrospectiva con un texto de Verhaeren en el catálogo. En 1921 la Biblioteca Nacional de Madrid le rindió homenaje con una exposición, y ese mismo año Rodrigo Soriano, el antiguo dueño del autorretrato, publicó un libro sobre el pintor.