Desvallières berkenalan dengan seni kuno selama perjalanan ke Italia pada tahun 1890, dan sekembalinya dia mulai bekerja dalam gaya yang paling diasosiasikan, menggabungkan subjek gelap dan warna kekerasan dengan konsepsi agama yang dramatis. Dia mengambil banyak karakter simbolis sebagai subjeknya, seperti Narcissus (pada 1901), Orpheus (1902), dan The Marche Towards the Ideal ( 1903); ia juga menjabat sebagai salah satu pendiri Salon d'Automne. Pada tahun 1919 ia mendirikan Ateliers d'Art Sacré dengan Maurice Denis, dalam upaya untuk memperbarui minat pada seni religius. atelier memiliki fungsi yang mirip dengan yang dilakukan oleh studio seniman di Abad Pertengahan. Desvallières menjadi tertarik pada seni religius setelah kehilangan seorang putra dalam Perang Dunia I pada tahun 1915; dia sendiri telah memerintahkan batalion di Vosges selama perang.
Desvallières juga menangani sejumlah program dekoratif publik dan swasta yang terkait dengan perang; di antaranya adalah jendela untuk Osuarium Douaumont dan untuk sebuah gereja di Pawtucket, Rhode Island. Ia juga mengilustrasikan sejumlah buku dan drama, termasuk La Princesse LointaineEdmond Rostand dan Rolla oleh Alfred de Musset. Sampai tahun 1950 ia juga menerima komisi Negara. Karya Desvallières dapat ditemukan di Musée d'Orsay dan Musée du Louvre. Dia meninggal di Paris pada tahun 1950.