擅长素描、油画、中国画。他把西方艺术手法融入到中国画中，创造了新颖而独特的风格。他的素描和油画则渗入了中国画的笔墨韵味。他的创作题材广泛，山水、花鸟、走兽、人物、历史、神话，无不落笔有神，栩栩如生。他的代表作油画《田横五百士》、《徯我后》、中国画《九方皋》、《愚公移山》等巨幅作品，充满了爱国主义情怀和对劳动人民的同情，表现了人民群众坚韧不拔的毅力和威武不屈的精神，表达了对民族危亡的忧愤和对光明解放的向往。他常画的奔马、雄狮、晨鸡等，给人以生机和力量，表现了令人振奋的积极精神。尤其他的奔马，更是驰誉世界，几近成了“现代中国画”的“象征”和“标志”。

1920年发表的《中国画改良论》，是他第一篇论述中国画改良的重要著作。文中提出“古法佳者守之，垂绝者继之，不佳者改之，未足者增之，西方画之可采入者融之”的著名主张，提倡写实，反对抄袭，并提出“改之方法：学习、物质（绘画工具）、破除派别。”1929年发表《惑》《惑之不解》等文，明确倡导现实主义，反对P．塞尚、H．马蒂斯等人的艺术，又认为“美术之大道，在追索自然”。

1932年著《画范·序》，提出“新七法”：①位置得宜，②比例准确，③黑白分明，④动作或姿态天然，⑤轻重和谐，⑥性格毕现，⑦传神阿堵。并指出：“苟有以艺立身之士，吾唯以诚意请彼追寻造化，人固不足师也。”

1942年发表《新艺术运动之回顾与前瞻》一文，论及艺术的美与艺术家的修养：“夫人之追求真理，广博知识，此不必艺术家为然也。唯艺术家为必需如此，故古今中外高贵之艺术家，或穷造化之奇，或探人生究竟，别有会心，便产杰作”，“艺术家应更求广博之知识，以美备其本业，高尚其志趣与澄清其品格”。

1947年先后发表《新国画建立之步骤》《当前中国之艺术问题》等，重申注重素描的严格训练，提倡师法造化，反对模仿古人，指出：“艺术家应与科学家同样有求真的精神”，“若此时再不振奋，起而师法造化，寻求真理，……艺术必亡。”徐悲鸿继承了中国古代画论中关于“师法造化”的优良传统，又强调了艺术家的追求真理、探究人生，见出艺术是真善美的统一，这是他对现实主义美术理论的贡献。