为了练好素描，徐悲鸿常常忍饥挨饿，通宵达旦地画到天亮。却不料这时病魔也悄悄地来到了他的身边。由于长期处于饥饿中，徐悲鸿患上了严重的肠痉挛症，终生未愈。每次可怕的腹痛病发作，徐悲鸿就痛得汗如雨下，面色惨白。但他仍继续不停地作画，以此来转移注意力。后来他曾在一幅画上题写：“人览吾画，焉知吾之为此，乃痛不可支也。”通过不懈的努力，徐悲鸿很快以优异的成绩从素描班升入油画班。学校下午一般没有课，徐悲鸿便趁此机会到私立的美术研究所去画人体模特，或者到动物园画狮子速写。但他去得最多的是马场。那里有各种品种不同、大小不一的马。为了准确地把握马的特性，徐悲鸿在马场常常一坐就是一个下午，仔细地观察着各种姿态各异的马匹。除此，他还迷上了马的解剖学，对马的内部构造和骨骼特征仔细研究。在他的住室，光是画马的速写稿就成百上千：立马、卧马、奔马、群马、嘶叫的马、撒欢的马……功夫不负有心人，早期奠定的坚实基础，使他后来画的马栩栩如生，姿态万千，成为世界闻名的一代画马大师。
这期间，徐悲鸿结识了许多富有进步思想、志存高远的在法中国留学生。如杨仲子、谢寿康、沈宜甲、盛成、曾觉之等人。他们时常聚在一起，关注祖国时局，探讨中国的民主与科学，以一颗赤子之心，时刻惦念国家民族的命运，并互相勉励，为国家的富强努力拼搏，学有所成。这批人日后学成归国，都成为文化、艺术、实业等领域的精英，为民族振兴做出了应有的贡献。当时，周恩来也在法勤工俭学。徐悲鸿与他相识，结为知己。每次听周恩来对马克思、恩格斯著作的诠释，对苏联十月革命伟大意义的阐述……徐悲鸿从周恩来那双炯炯有神的眼睛中，似乎看到了中国未来希望的火种。
本来，徐悲鸿一个人的留学经费供养两个人生活已相当不易，1921年前后，国内的经费又突然中断，徐悲鸿只好靠给巴黎的一些书画店画插图、给商店搞橱窗设计以及向朋友们借钱维持生计。蒋碧薇学习小提琴之余，也为一家百货公司做刺绣活计来贴补家用。之后，为了节约支出，他和妻子由巴黎转往德国柏林，因为当时在巴黎买一法郎的东西在德国可以买得数倍，同时，又可以饱览和学习德国的绘画艺术。在柏林逗留期间，德国的伦勃朗、康普等艺术大师的作品都是他非常敬重的。无论生活多么拮据，“爱画入骨髓”的徐悲鸿但凡见到喜爱的书和画片，哪怕天天喝白开水吃面包，甚至还不能吃饱，他也要设法将所需图书和画片买下来。为此，蒋碧薇与他经常发生争执。她认为丈夫只爱自己的事业，根本不爱她。徐悲鸿还有一个宏愿：就是在中国建立一所外国美术陈列馆。为了购买有收藏价值的外国美术家的作品，徐悲鸿想尽一切办法筹集资金，卖画，拼命节省留学经费，借债等等。无奈，徐悲鸿这一富于远见的构想却没有得到当时的中国政府的支持。在德国期间，徐悲鸿在一家画店看到康普等德国当代艺术家的作品，可他手头早已分文不名。怎么办，他便求助于中国大使馆，反复向大使先生解释买这些作品的重要意义，希望大使馆能借款给他购买。大使先生对徐悲鸿的观点点头称赞之后，却说没有多余的钱。后来徐悲鸿还是靠留德同学宗白华等人帮忙筹集资金，才得以购得康普的两幅油画。1937年，徐悲鸿去南洋办画展途经香港时，花巨资从一个德国人手中购得我国珍贵唐代人物画《八十七神仙卷》。手捧着失而复得的国宝，徐悲鸿悲喜交加，情不自禁地在画的一角盖上“悲鸿生命”的印章。不幸的是，这幅画在战乱中为奸人所盗。此后，徐悲鸿几乎倾家荡产另搭上自己的上百幅作品，才重新将其画找回。
对于徐悲鸿在巴黎的生活之艰辛，徐悲鸿的朋友、新加坡人黄曼士曾有一段回忆：1926年春节前后，徐悲鸿为了筹措一笔留学费和购画资金，经黄曼士的介绍，从巴黎前往新加坡卖画。黄曼士特意举办盛宴为徐悲鸿接风洗尘。席间，徐悲鸿凝视着满桌佳肴美酒，突然泪流不止，痛哭失声。最后，他哽咽着对黄曼士说道：“你待我情同骨肉，又特地备了这样丰盛的年饭，我本不该如此失态，在你面前啼哭，但人非草木，我与蒋碧薇患难夫妻，一时想到她远在巴黎，此刻不但水电房租无法缴付，恐怕连买面包的钱也用尽了，我纵有铁石心肠，也实在难以下咽。”
在巴黎留学期间，徐悲鸿的绘画艺术造诣突飞猛进。这段时期，他所创作的油画《老妇》、《抚猫人像》、《箫声》、《远闻》等作品深受西方行家好评，人们纷纷恭贺这位勤奋刻苦、迅速成长起来的东方青年艺术家。其中，《老妇》还曾入选法国1923年举办的全国美展。寒来暑往，八载寒窗，除了在巴黎、柏林的专业学习，徐悲鸿还游历了意大利、比利时、瑞典、希腊等国，观瞻各国美术珍品。达·芬奇、米开朗琪罗、拉蜚尔等人的艺术杰作，无不令徐悲鸿留连忘返。1927年春，徐悲鸿结束在欧洲游学生涯，怀着振兴中国美术事业的志愿，回到战乱中的祖国。载着徐悲鸿归来的轮船依旧在上海靠岸。码头上，徐悲鸿一眼便认出前来迎接他的田汉。田汉当时正在筹划恢复“上海艺术大学”，遭到国民党反动派的百般阻挠，结果改办“南国艺术学院”。徐悲鸿便义务担起“南国艺术学院”美术系主任的重任，他和田汉志同道合，决心将“南国艺术学院”作为他们推动艺术革新运动的基地。著名画家吴作人便是从“上海艺大”转到“南国艺术学院”美术系的第一批学生。
在“南国艺术学院”，学校拨给徐悲鸿一间宽敞明亮的画室，供他作画。学生们平时除了喜欢听他讲课，最喜欢的便是看徐老师作画。对于学生们的素描训练，徐悲鸿是非常严格的。他反复强调，素描是一切造型艺术的基石，一定要高度准确，力求形神俱佳。徐悲鸿以自己的言传身教，要求学生们“但取简约，以求大和，不尚琐碎，失之微细。”在素描教学中，徐悲鸿提出的“致广大，尽精微”早已成为他的艺术创作格言。他还参照我国古代绘画理论中提出的“六法”，结合西欧绘画技巧，融合为素描创作的“新七法”理论。即：一、位置得宜；二、比例准确、三、黑白分明；四、动作和姿态天然；五、轻重和谐；六、性格毕现；七、传神阿堵。他又反复强调：“宁方勿圆，宁拙勿巧，宁脏勿净。”这些言简意赅的术语，可谓是徐悲鸿自己通过长期的实践所探索出的科学的理论观点。
不久，南京中央大学艺术系聘请徐悲鸿去授课。此时，“南国艺术学院”正是起步阶段，徐悲鸿不能离开，他也舍不得离开生气勃勃的“南国艺术学院”。徐悲鸿只答应“南京央大”授课半个月，然后回到“南国艺术学院”授课半个月。后来在妻子蒋碧薇的胁迫下，徐悲鸿才举家迁往南京。到抗日战争结束时期，徐悲鸿一直执教于南京中央大学，他的巨幅油画《田横五百士》便是从这时期开始构思和运笔。《田横五百士》取材自《史记·田儋列传》中的一个悲壮感人的历史爱国故事。田横是齐王田荣之弟，参加过秦末陈胜、吴广反抗秦王的起义运动。后来，齐国被汉高祖刘邦灭亡后，田横等五百余人不愿受降，流亡到今山东境内的一座孤岛上。汉高祖恐其日后反叛，便以高官厚禄诱田横来降，否则荡平该岛。田横为了保存众人的生命，决定去京城见汉高祖。结果，他宁死不做亡国奴，在汉高祖面前自刎身亡。汉高祖敬其英雄气节，下令厚葬之。后来，岛上五百士得知田横壮烈牺牲的消息，也集体跳海。画面表现的便是田横与众壮士临别的场面。天边乌云翻卷，不远处的大海巨浪排岸。田横握手抱拳，与五百士互道珍重。他脸上的神色庄严而坚定，五百士的表情也是各异：有的慷慨激昂，有的低头沉思，有的满怀期待，有的抬袖掩泪，有的摩拳擦掌……画面生动地表现了他们热爱祖国、誓死不屈、大义凛然的民族气节。这幅高198厘米、宽355厘米的绘画巨作，徐悲鸿从画素描稿到最后完成，花了两年多时间。
为了弘扬祖国历史文化，促进中外美术文化的交流，多年来，徐悲鸿一直苦心孤诣，费尽心血。1933年，徐悲鸿接受法国国立外国美术馆邀请赴法举办中国画展。徐悲鸿抓住这一机遇，充分筹备，携带着数百幅中国近代绘画作品，踏上了开往巴黎的航船。这些作品除了部分是徐悲鸿个人所作或是他的收藏，大都出于代表中国当代绘画流派的各位画家之手。此次画展，来自欧洲及世界各地的艺术家、新闻记者、普通观众共达三万人次。来自古老东方的绘画艺术，强烈震撼着每一位与会者的心弦。仅是描绘这次成功盛会的文章就达200多篇。展览会结束后，国立外国美术馆以法国政府的名义，购藏徐悲鸿、齐白石、张大千、高奇峰等15位画家的作品，并专门开辟一间展厅陈列。紧接着，徐悲鸿又应邀赴比利时、意大利、柏林、苏联等国家举办中国近代绘画展和个人作品展览。在意大利米兰举办的中国近代绘画展览时，米兰一家报纸评论道：“这是继马克·波罗之后中意文化交流的又一个高潮。”而在苏联，中国近代绘画展览受到苏联各界人民的热情欢迎，热烈场面更是盛况空前。“开幕后，参观者之踊跃为各处所不能比拟，有重来五六次者。……除知识分子外，大半是工人农民。”这是徐悲鸿写作《在全欧宣传中国美术之经过》一文中所描述的。这次赴欧，徐悲鸿除了带回许多幅外国艺术家的绘画作品，还获得了极为难得的列宁和托尔斯泰的面模，并将俄罗斯巡回画派介绍到中国。
抗日战争时期，为了支持祖国抗战和帮助无家可归的难民，徐悲鸿决定赴新加坡举办筹赈画展。画展期间，新加坡华侨及各界友好人士每天都挤满会场，惊喜地浏览着一幅又一幅作品。当他们了解到徐悲鸿是在为国内抗日斗争筹资义卖，更是纷纷解囊，争相购买。所得画款，徐悲鸿全部捐献给了祖国。后来，他又到新加坡、贵阳、重庆、成都等地举办个人画展。卖画所得，大部分都是捐献给国家，余下一部分，皆用来帮助穷朋友、穷学生及购藏字画等。而他本人，却长年过着节衣缩食、艰苦朴素的生活。我国近现代许多著名的艺术家，都曾得到过徐悲鸿不同方式的宣扬和支持。如：他写《泥人张感言》一文，大力推崇泥人张的捏塑艺术，介绍我国著名画家傅抱石、蒋兆和、现代著名雕塑家滑田友等。哪怕是素不相识的热爱美术的小孩、青年朋友的来信，他也总是每信必回，耐心解答他们在绘画中碰到的难题或是对他们寄来的习作进行认真的指点。这样的事例，举不胜举。徐悲鸿就像一位执着、勤劳的筑路工人，长年累月地在艺术创作的道路上默默为别人填坑、清障，一心渴望多铺平一些道路，使走在上面的人尽快到达成功的巅峰。
正当他的事业如日中天，向艺术顶峰攀登时，他与蒋碧薇在政治观点、人生态度上分歧越来越大，再加上时任南京国民党政府宣传部长张道藩的插足，使他们的爱情和婚姻之船彻底撞上了生活的暗礁，四分五裂，摇摇欲坠。蒋碧薇不是对徐悲鸿无理取闹，便是蛮横地干涉徐悲鸿的创作。家庭环境的恶劣和不幸，严重地腐蚀着徐悲鸿的身体和他那颗纯朴敏感的心灵。为了麻痹自己，他便越发忘我地投入到工作中。这段痛苦的婚姻，直到1945年以蒋碧薇苛刻地索要一百幅画、一百万元钱才宣告结束。