1919年，在蔡元培、傅增湘的幫助下，25歲的徐悲鴻獲公費赴法留學。到達巴黎后，先在各大博物館仔細觀摹西方藝術的精華，比較他們與東方藝術的不同之處，數月絕筆不畫。然后入朱里安畫院學習素描兩月，后又考入巴黎國立高等美術學校，入弗拉芒格畫室。每次競試，都名列前茅。課余，便到盧浮宮和盧林堡美術館研究大師的作品，臨摹德拉克洛瓦、委拉斯蓋茲、倫勃朗等作品。課余，則到羅浮宮和盧森堡美術館臨畫。他站在十八世紀末法國浪漫主義大師德洛克瓦的巨幅油畫《希阿島的屠殺》前，深深地被激動，以致熱淚盈眶，不能自己。

　　1920年冬，法國大雕塑家唐潑特介紹徐悲鴻認識了法國國家畫會的領袖達仰，他當時享有很高的威望。從此，徐悲鴻每個星期天都去聆聽達仰的教導和參加該派藝術家們的茶會，深受教益。達仰勉勵徐悲鴻說：“學美術是很苦的事，不要趨慕浮夸，不要甘于微小的成就，”他要徐悲鴻精繪素描，并養成默寫的習慣。徐悲鴻遵從達仰的教導，很見功效，于是更加努力。先后有《悵望》、《蕭聲》、《琴課》、《扶貓人像》、《遠聞》、《馬夫和馬》等杰作問世。僅1927年就有9幅作品入選法國國家美展，獲得很高的贊譽。

　　1921年4月法國國家美展開幕，徐悲鴻從早至晚仔細觀摹，走出會場時，才發現外面下著大雪，而他整天未進餐，又缺少御寒的大衣，頓時感到饑寒交迫，腹痛如絞。從此患上了嚴重的腸痙攣癥。他常強迫自己忍痛作畫，現仍保存的一幅素描上便寫著：“人覽吾畫，焉知吾之為此，每至痛不支也。”

　　這年夏天，病更重了，而學費已完全斷絕，他只好去柏林。徐悲鴻在柏林認識了柏林美術學院院長康普，并看到門采爾、綏干第尼及康普的作品，感到在法國見到的佳作雖多，仍受局限。他最愛倫勃朗的畫，便去博物院臨摹，每天都持續畫10個小時，其間連一口水也不喝。特別在臨摹倫勃朗第二夫人像時，下了很大的功夫，覺得略有收獲但仍不能用在自己的作品上，于是更加努力。

　　1923年，徐悲鴻回到巴黎后，以油畫《老婦》，第一次入選法國國家美展，再謁達仰。

　　1927年春，徐悲鴻赴意大利和瑞士，流連于圣彼得寺的名雕和西斯廷教堂米開朗基羅的壁畫之前，縱情欣賞了文藝復興時代大師們的杰作，并游覽了龐貝古城，領略西方古代藝術的氣氛。

　　經過8年國外勤奮刻苦的學習和鉆研，徐悲鴻懷著復興中國繪畫的決心，回到久別的祖國，居上海霞飛坊。