Décio Luiz Monteiro Vieira estuda desenho e pintura com Axl Leskoschek (1889–1975) na Fundação Getúlio Vargas (FGV), no Rio de Janeiro, em 1948. A partir desse ano, entra em contato com a gravadora Fayga Ostrower (1920–2001) e tem aulas com o pintor Ivan Serpa (1923–1973), no Museu de Arte Moderna do Rio de Janeiro (MAM/RJ).

Na década de 1950, integra o Grupo Frente, ao lado de Lygia Pape (1927–2004), Lygia Clark (1920–1988), Hélio Oiticica (1937–1980) e outros artistas. Posteriormente, participa do Grupo Neoconcreto, dissidência carioca do movimento concretista. Entre 1954 e 1962, produz estampas para tecidos em colaboração com Fayga Ostrower.

Em 1966, em São Paulo, trabalha com Alfredo Volpi (1896–1988) no afresco Dom Bosco, realizado para o Palácio dos Arcos, em Brasília. Nesse período, estuda com Volpi a técnica da têmpera e passa a desenvolver uma produção abstrata.

Na década de 1970, retorna à figuração, dedicando-se principalmente à pintura de paisagem, além de lecionar no MAM/RJ, nos cursos coordenados pelo crítico Frederico Morais. Com a orientação de Ivan Serpa, cria, ao lado de Dulce Vieira, uma escola de arte para as crianças da comunidade da Rocinha, no Rio de Janeiro.

Em 1992, é realizada uma exposição retrospectiva de sua trajetória, intitulada Décio Vieira: Resumo de uma Trajetória, na Galeria Rodrigo de Mello Franco, da Funarte, no Rio de Janeiro.