因為工作尚未落實，前途尚難預測，徐悲鴻決意到文化古都北京去闖蕩一番。臨行前，他精心畫了一幅奔馬圖，準備托來上海洽談生意的宜興同鄉唐先生帶回去，以酬謝曾經熱心幫助過自己的鄉親。在唐先生住的旅館裏，徐悲鴻碰上了富商黃震之。黃震之無意中拿起徐悲鴻帶來的奔馬圖，立刻被深深吸引了。他驚奇地說：“畫得好，這幅畫看似漫不經心，一揮而蹴，實則構圖巧妙，章法細密，立意新奇。隻是這位徐悲鴻先生現在何處？我在上海算得上是比較富有的收藏家，怎麼從未聽說過這位畫家？”
當他聽說眼前這位貌不驚人的小夥子就是徐悲鴻時，感到十分驚訝。他得知徐悲鴻在上海的處境後，十分同情，熱情挽留徐悲鴻繼續留在上海，衣食住行全部由他解決。
1916年，徐悲鴻生活安定了下來，住在“哈同花園”。在這裏他結識了端莊大方、頗有才學的蔣碧薇。徐悲鴻對她心生愛慕，蔣碧蔽也心似於這位年輕人，為他的才華所動容。可是她早就和蘇州的查家訂有婚約，毀婚又十分不易，因此徐悲鴻不得不帶著她遠走高飛。1917年，這對熱戀中的情人登上了開往日本的海輪，在那裏，他們開始了共同的生活。
一年後徐悲鴻回國。經康有為介紹，他來到了向往已久的古都北京。祖國古老燦爛的文化，使他開闊了眼界，汲取了營養。他通過遊覽名勝古跡，畫出了不少山水人物畫卷，並借此機會暢談理想，抒發憂國憂民的情懷。
1920年，徐悲鴻考進法國巴黎高等美術學校，開始了留學生活。在法國，徐悲鴻親眼目睹了盧浮宮裏珍藏的藝術瑰寶，裏麵有“維納斯”的雕像，達·芬奇的名畫“蒙娜麗莎”和公元前2世紀的石雕“勝利女神”。在這些藝術珍品麵前，他流連忘返，讚歎不已，同時也使他的藝術創作得到了進一步提高。
1927年，徐悲鴻結束留學生涯回到上海，成為當時美術界最有影響的人物。他的繪畫取法西方古典寫實主義，大力倡導用“寫實主義”改造中國畫。他總結出“新七法”，強調“盡精微，致廣大”，“惟妙惟肖”，“直接師法造化”。特別是他的“素描是一切造型藝術的基礎”論，借助他在教育界的權威地位，在畫史上產生了劃時代的效果。這宣布了從顧愷之到任伯年1000多年間勾線填色彩這種繪畫形式的大體結束和一代新形式國畫繪畫法的誕生。他的寫實主張和從蘇聯引進的“社會主義現實主義”並為一體，成為20世紀最大的主流畫派，其影響之大是不可否認的。通過在國外舉行的1年零7個月的“中國近代繪畫展”的巡回展覽，破除了西方人輕視中國文化藝術的偏見，在世界藝壇上為祖國文化樹立了威信。
抗戰期間，徐悲鴻時刻心係祖國安危，多次用繪畫表達一腔愛國熱血。他創作了巨幅油畫《田橫五百士》、《愚公移山》，歌頌了戰士們威武不能屈的民族精神，鼓舞人民在艱苦的條件下堅持鬥爭。1932年1月28日，日本轟炸上海，駐滬十九路軍英勇抗戰，徐悲鴻激情滿懷，作國畫《雄雞》，落款“雄雞一唱天下白”，來鼓舞士氣。
徐悲鴻還熱心幫助後進，著名的畫家蔣兆和、吳作人、王臨乙、呂斯百、傅抱石都得到過他的教導。他支持進步學生運動，當年中央大學學生團體“野馬社”處在極端困難時期，他親自畫了一幅四蹄奔騰的野馬圖，送給該社，並在畫上親題“直須此世非長夜，漠漠窮荒有盡頭”的詩句，鼓勵學生堅持鬥爭和樹立必勝的信念。
1946年，因興趣愛好、人生觀等方麵的諸多不同，徐悲鴻與蔣碧薇離婚。同年，與自己的學生廖靜文結婚。
新中國成立後，1950年，徐悲鴻擔任了中央美術學院院長。1951年，因勞累過度，他患腦溢血住院4個月。
1953年，徐悲鴻病逝於北京醫院。周恩來、郭沫若前往吊唁。