In 1925 werd hij lid van De Stijl (zie tabel) en was zodoende goed bevriend met Theo van Doesburg en Piet Mondriaan. Hij werkte in de tweede helft van de jaren '20 in een stijl die nauw verwant was aan die van Mondriaan. Hij ging zich toeleggen op de ontwikkeling van reliëfs: driedimensionale schilderijen, waarbij het diagonaal een belangrijke rol zou spelen. Daarnaast experimenteerde hij met fotomontages en paste die toe in de reclame.
Na omstreeks 1930 maakte hij opvallende reliëfs van plexiglas en metaal, maar steeds met als uitgangspunt het olieverfschilderij. In 1933 vestigde hij zich definitief in Parijs.
Neoplastische composition 5a. 1924. Olieverf op doek. 58 × 58 cm. Amsterdam, Christie's (9 juni 2004). Zie artnet.
Compositie. 1925.
Reliëfconstructie Nr. 11A. 1929. Glass, beschilderd glas, beschilderd metaal, verchroomd geelkoper en beschilderd hout. 89,8 × 75,2 × 4,2 cm. Washington, Hirshhorn Museum and Sculpture Garden. Zie hirshhorn.si.edu[dode link].
Compositie. 1929. Houtsnede.
Neoplastisch reliëf nr. 10. 1930. Olieverf op hout. Plexiglas, messing. 85 × 85 cm. Gemeentemuseum Den Haag. Zie Gemeentemuseum Den Haag.
Relief n. 52, 1955. Olieverf op hout, Macassar en rood koper. 115 × 85 cm. Museo Cantonale d'Arte Lugano
Reliëf nr. 71. 1960. Olieverf op hout, messing. 120 × 80 cm. Gemeentemuseum Den Haag.
Sculpture, 1962. Duraluminium en natuurlijke[bron?], 97 × 43 × 19,5 cm. Museo Cantonale d'Arte Lugano
Relief n. 110, 1967. Messing, plexiglas en geverfd hout, 78 × 100 cm. Museo Cantonale d'Arte Lugano
Reliëf nr. 167. 1977. Olieverf op hout, aluminium, plexiglas, messing. Ø 100 cm. Gemeentemuseum Den Haag. Zie Gemeentemuseum Den Haag.
Erfenis
Na zijn overlijden in 1992 liet hij zijn omvangrijke archief na aan de Nederlandse staat, die het onderbracht in het Rijksbureau voor Kunsthistorische Documentatie in Den Haag. Het bureau wijdde vanaf 23 november 2007 een tentoonstelling aan Domela met stukken uit dit archief.
In het Gemeentemuseum Den Haag vond van 24 november 2007 t/m 6 april 2008 een tentoonstelling van schilderijen van Domela plaats, naar aanleiding van de schenking van een aantal van zijn schilderijen door zijn dochters Lie Tugayé-Domela Nieuwenhuis en Anne Dutter-Domela Nieuwenhuis.