Батони родился в Лукке, в семье ювелира Паолино Баттони. Вероятно, уроки отцовского ремесла сказались в последовательной приверженности Батони к ювелирной отточенности и изяществу формы.
В 1727 или 1728 году Батони уехал в Рим, где сперва зарабатывал на жизнь срисовыванием античных статуй.
В Риме Батони учился у Агостино Мазуччи, Себастьяно Конки, возможно, у Франческо Империале.Судьба Батони сложилась удачно. Уже в начале 1740-х годов у него не было недостатка в заказах на алтарные образы, мифологические, исторические и аллегорические картины, а в 1741 году он был принят в члены Академии Святого Луки. Батони вошёл в Риме в большую моду, особенно после того, как его коллега и соперник Антон Рафаэль Менгс, представитель раннего классицизма, переехал в 1761 году в Мадрид.Слава портретиста привлекала в его мастерскую высшую аристократическую знать со всей Европы, ему заказывали портреты папы и монархи.
Он был хранителем папских коллекций, а его дом сделался местом встреч деятелей искусства тех дней, общественным и интеллектуальным центром.
В число его друзей входил Винкельман, и, подобно ему, Батони стремился в своей живописи к умеренному классицизму старых мастеров, в отличие от модного в то время стиля венецианских художников. Живописец Бенджамин Уэст, живший в Риме в 1760 году, сетовал, что итальянские художники «ни о чём ином не говорили и ни на что иное не смотрели, кроме как на работы Помпео Батони» .
Он стал столь авторитетным мастером, что многие современники, посвятившие ему страницы своих произведений, пытались разобраться, что такое «манера Батони» , почему ему суждено было занять лидирующее положение в Риме и стать, по словам Винкельмана, «одним из лучших в мире» . Искусство Батони не знало конфликтов с общественным вкусом и находило неизменное признание у современников.Батони был дважды женат: в 1729 году — на Катерине Сети (умерла в 1742 году), а позднее, в 1742 году — на Лючии Фаттори. Из его двенадцати детей трое сыновей были его помощниками в занятиях искусством.Начиная с 1759 году Батони жил в большом доме на Виа Бока ди Леоне в Риме, где размещалась его студия, выставочные комнаты и школа рисования. Батони умер в Риме, и, согласно молве, завещал свою палитру и кисти Жаку Луи Давиду.