由于傅增湘和蔡元培的帮助，徐悲鸿终于获得去法国留学的公费。1919年3月，徐悲鸿怀着向西方学习科学和民主，以复兴中国美术为己任的决心，从上海乘船启程赴法，开始了他艺术生涯中转折性的阶段。
徐悲鸿到达巴黎后，先在各大博物馆仔细观摩西方艺术的精华及比较他们与东方艺术的不同之处，数月绝笔不画，然后，入徐梁画院研习素描。随后考入巴黎国立高等美术学校，以弗拉孟、高尔蒙为师。每次竞试，都名列前茅。课余，便到卢浮宫和卢森堡美术馆研究各派的异同和各家的造诣。临摹普吕东、德拉克洛瓦、委拉斯盖兹、伦勃郎等大师的作品。
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·布弗莱。法国国家画会反对陈腐守旧的法国艺术家协会，主张在吸收各派之长的基础上创新，在当时享有很高的威望。从此，徐悲鸿每个星期天都去达仰画室聆听达仰的教导和参加该派艺术家们的茶会，尤其在与倍难尔的交谈中，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。
1921年4月法国国家美展开幕，徐悲鸿从早至晚仔细观摩，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，徐悲鸿病情加剧，而学费已完全断绝，只好去柏林。徐悲鸿在柏林认识了柏林美术学院院长康普，并看到了门采尔、绥干第纪及康普的作品，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小时，期间连一口水也不喝。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，徐悲鸿重获留学经费回到巴黎后，他抓紧每一寸时光，在名师们正规而系统的训练和他本人孜孜不倦的努力钻研下，绘画水平日渐提高，创作出一系列以肖像、人体、风景为主题的优秀的素描、油画作品，如《抚猫人像》、《持棍老人》、《自画像》等。后以油画《老妇》，第一次入选法国国家美术展。再谒达仰，陈述学习虽无懈怠，但进步很少。达仰说：“人须有受苦的习惯，求学也一样……未历苦境的人往往缺乏宏大的志愿。最大的作家多是毅力最强的人，所以能达到很高的成就，为人类申诉。”达仰要徐悲鸿进一步精绘素描，油绘人体时认真作分部研究，务必体会精微，不要追求爽利夺目的笔触。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》《琴声》《抚猫人像》《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。
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。
