1919年，在蔡元培、傅增湘的帮助下，25岁的徐悲鸿获公费赴法留学。到达巴黎后，先在各大博物馆仔细观摹西方艺术的精华，比较他们与东方艺术的不同之处，数月绝笔不画。然后入朱里安画院学习素描两月，后又考入巴黎国立高等美术学校，入弗拉芒格画室。每次竞试，都名列前茅。课余，便到卢浮宫和卢林堡美术馆研究大师的作品，临摹德拉克洛瓦、委拉斯盖兹、伦勃朗等作品。课余，则到罗浮宫和卢森堡美术馆临画。他站在十八世纪末法国浪漫主义大师德洛克瓦的巨幅油画《希阿岛的屠杀》前，深深地被激动，以致热泪盈眶，不能自己。

　　1920年冬，法国大雕塑家唐泼特介绍徐悲鸿认识了法国国家画会的领袖达仰，他当时享有很高的威望。从此，徐悲鸿每个星期天都去聆听达仰的教导和参加该派艺术家们的茶会，深受教益。达仰勉励徐悲鸿说：“学美术是很苦的事，不要趋慕浮夸，不要甘于微小的成就，”他要徐悲鸿精绘素描，并养成默写的习惯。徐悲鸿遵从达仰的教导，很见功效，于是更加努力。先后有《怅望》、《萧声》、《琴课》、《扶猫人像》、《远闻》、《马夫和马》等杰作问世。仅1927年就有9幅作品入选法国国家美展，获得很高的赞誉。

　　1921年4月法国国家美展开幕，徐悲鸿从早至晚仔细观摹，走出会场时，才发现外面下着大雪，而他整天未进餐，又缺少御寒的大衣，顿时感到饥寒交迫，腹痛如绞。从此患上了严重的肠痉挛症。他常强迫自己忍痛作画，现仍保存的一幅素描上便写着：“人览吾画，焉知吾之为此，每至痛不支也。”

　　这年夏天，病更重了，而学费已完全断绝，他只好去柏林。徐悲鸿在柏林认识了柏林美术学院院长康普，并看到门采尔、绥干第尼及康普的作品，感到在法国见到的佳作虽多，仍受局限。他最爱伦勃朗的画，便去博物院临摹，每天都持续画10个小时，其间连一口水也不喝。特别在临摹伦勃朗第二夫人像时，下了很大的功夫，觉得略有收获但仍不能用在自己的作品上，于是更加努力。

　　1923年，徐悲鸿回到巴黎后，以油画《老妇》，第一次入选法国国家美展，再谒达仰。

　　1927年春，徐悲鸿赴意大利和瑞士，流连于圣彼得寺的名雕和西斯廷教堂米开朗基罗的壁画之前，纵情欣赏了文艺复兴时代大师们的杰作，并游览了庞贝古城，领略西方古代艺术的气氛。

　　经过8年国外勤奋刻苦的学习和钻研，徐悲鸿怀着复兴中国绘画的决心，回到久别的祖国，居上海霞飞坊。