1895年，徐悲鸿出生在江苏省宜兴县亭桥镇。他自幼便显露出绘画的天赋，九岁起随父亲学画，在父亲的严格要求下，打下了坚实的绘画基础。
1908年，家乡水灾，13岁的徐悲鸿随父亲去异乡卖画谋生。父亲病逝后，他挑起养家重担，1914年赴上海谋职，却无功而返。1916年，徐悲鸿生活安定了下来，住在“哈同花园”，在这里他结识了蒋碧薇，两人心生爱慕。经重重困难，最后徐悲鸿带着她远走高飞，共结连理。
一年后，徐悲鸿回国，经康有为介绍，来到了古都北京。他通过游览名胜古迹，画出了不少山水人物画卷，并借此机会畅谈理想，抒发忧国忧民的情怀。
1920年，徐悲鸿考入法国巴黎高等美术学校，开始了他的留学生活。在法国，徐悲鸿亲眼目睹了卢浮宫里珍藏的艺术瑰宝。在这些艺术珍品面前，他流连忘返，赞叹不已，他的艺术创作水平也得到了进一步提高。
1927年，徐悲鸿结束留学生涯回到上海，成为当时美术界最有影响的人物。他大力倡导用“写实主义”改造中国画界旧有的面貌，并强调“尽精微，致广大”，“惟妙惟肖”，“直接师法造化”。特别是他的“素描是一切造型艺术的基础”论，在画史上产生了划时代的影响。
抗战期间，徐悲鸿时刻心系祖国安危，创作了巨幅油画《田横五百士》、《愚公移山》等，歌颂了战士们威武不能屈的民族精神，鼓舞人民在艰苦的条件下坚持斗争。1932年“一·二八”事变发生后，驻沪十九路军英勇抗战，徐悲鸿激情满怀，作国画《雄鸡》，落款是“雄鸡一唱天下白”。
1946年，因兴趣爱好、人生观方面的诸多不同，徐悲鸿与蒋碧薇离婚。同年，徐悲鸿与自己的学生廖静文结婚。
新中国成立后，1950年，徐悲鸿担任中央美术学院院长。
1953年，徐悲鸿病逝于北京医院，享年58岁。