À Grenoble, François Joseph Girotest son premier maître et Jules Flandrin sa première influence marquante.
Il arrive à Paris en 1905, l'année du scandale des peintres fauves pour travailler avec Jean-Paul Laurens. À l'académie Julian, il rencontre Dunoyer de Segonzac qui sera un ami fidèle.
À Paris, il fréquente Max Weber, rencontre grâce à lui Picasso mais fréquente aussi Matisse, Marquet, Jacqueline Marval et Rouault. Il n'est d'aucun des mouvements de l'époque, en particulier pas du cubisme. Son seul modèle absolu est Cézanne.
Mainssieux voyageur
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Mainssieux entreprend de nombreux voyages au cours de sa vie, notamment à travers toute la France. Même s'il habite Paris, il revient à Voiron l'été, où il peut peindre avec plus de facilité des paysages.
Son premier voyage hors de France se fait à Rome en 1910. C'est une révélation pour lui : les monuments antiques aux pierres rosies, l'architecture parfaite et la sculpture le fascinent. Lorsqu'il voit le mont Palatin, il décide de le peindre, émerveillé par la beauté du paysage. Ce mont lui est apparu la première fois alors que « le soleil descendait lentement à l'horizon, les palais de la ville et les collines lointaines étaient dans une brume d'or ». Il expose en 1913 le tableau de cette scène, Le Mont Palatin, au salon d'automne de Paris. Il est remarqué par les critiques et le grand public grâce à son style. Il retourne cinq autres fois à Rome entre 1911 et 1926.
En 1921, après avoir obtenu une bourse pour l'Afrique, Mainssieux part en Tunisie. Sa découverte du monde musulman l'émerveille et il se met à peindre des marabouts, des palmeraies, des sables et des oasis. Il retournera dans ce pays de nombreuses fois.
Il visite le Maroc à quatre reprises à partir de 1929, puis écrira un livre, Le Maroc secret, illustré de dessins mais qu'il ne publiera jamais. Son dernier voyage fut encore pour le Maroc en 1958, à Agadir. Entre 1942 et 1954, Mainssieux entreprend quatre voyages en Algérie, à Tipaza. Les douze dernières années de sa vie, Mainssieux les passa entre Voiron, Paris et Tipaza. Tous ces voyages ont influencé sa vie, de sa façon de peindre à sa vie privée, puisque c'est pendant ces périples qu'il a rencontré sa femme. Ces voyages lui donnent l'inspiration pour peindre des tableaux qui le feront remarquer du public. Mainssieux critique d'art.
Mainssieux a régulièrement collaboré au Crapouillot, pour lequel il tenait une critique musicale. Il a par ailleurs abondamment écrit sur les peintres qu'il a fréquentés : Dunoyer de Segonzac, Matisse, Picasso, Van Dongen, Jacqueline Marval, Jules Flandrin, etc. Au début de sa carrière, ses peintures s'inspirent du fauvisme : elles sont plus claires que les œuvres du xixe siècle, la touche est épaisse, il utilise beaucoup les aplats qu'il finira par abandonner à partir des années 1930. Il ne mélange pratiquement pas les couleurs; le contraste est très présent dans ses œuvres, en particulier pour mettre en valeur les portraits. Il se sert du pinceau et du couteau pour réaliser ses peintures.
En 1920, après la visite de l'atelier de Renoir, sa peinture va changer et ses couleurs vont encore s'éclaircir.
Lorsqu'il part en Afrique du Nord après de premières expériences à Rome dans les années 1910, ses peintures s'orientalisent. Il représente des scènes quotidiennes (danse, marché…) mais aussi des portraits et des paysages aux couleurs vives. La touche s'affine et ondule. Il écrit : « Quant à la couleur, je la poussais jusqu'à la simplification absolue. Je m'aperçus cependant qu'un ton, pour être simple, devait, à l'exemple de la nature, être décomposé et marbré d'infinies modulations ».
Tout au long de sa vie, Mainssieux ne va jamais garder la même façon de peindre : il change de style en fonction du lieu où il peint. En effet, s'il est en Italie, ses peintures seront plus classiques, avec des couleurs pâles, alors qu'en Afrique, il favorise les scènes quotidiennes aux couleurs vives.
Il est aussi influencé par certains peintres. Corot surtout tient une grande place dans sa vie, il le considère comme un de ses « maîtres vénérés » et a fait entrer certaines de ses œuvres dans sa collection. Il s'en inspire notamment pour ses paysages. Tous deux ont voyagé dans de nombreux pays. Lors de ses voyages, Mainssieux a repris des sujets peints par Corot.
L'art de Mainssieux « ne cesse d'osciller entre tradition et modernité » (Emmanuelle Macaigne). Pour son amour de l'Italie antique ou en vouant un véritable culte à Corot, il peut être considéré comme un artiste tourné vers le passé. Mais des peintres d'avant-garde comme Van Gogh, Mondrian ou Picasso ont aussi reconnu l'héritage de Corot et Maurice Denis (1870-1943) considérait dans son journal qu'il était à la naissance de l'art moderne.
De son vivant ses œuvres sont réputées à l'égal de celle de Matisse, Marquet ou Dunoyer de Segonzac. Il expose à Paris, en Algérie, à Genève, Bâle…