1895年7月19日出生于江苏省宜兴县屺亭桥镇。
1901年，从父识文断句。
1904年，已读完《诗》、《书》、《易》、《礼》和《左传》等书目，正式从父习画，每日临摹晚清名家吴友如的画作一幅，并且开始学习调色、设色等绘画技能。
1905年，帮父亲在不重要的画面上填彩敷色。岁末时，能够帮乡里人写春联。
1908年，随父辗转于邻近的乡村镇里，卖画为生。
1912年，独自到上海卖画，并想借机学习西画，以提高自身的绘画水平。
1914年，父亲病故。为养家糊口，返回故乡并开始在彭城中学担任图画教员，同时在思齐女子学校及宜兴女子学校教习图画。
1915年，再次到上海。在黄警顽、黄震之的扶助下研习法、德文。结识画家周湘、高奇峰、高剑父等人。
1916年，考入法国天主教会主办的复旦大学。
1917年，赴日本东京研究美术。回国后应蔡元培之邀受聘为北京大学画法研究会导师。结识著名文人陈师曾。
1918年，争取到公派赴法留学的机会。与鲁迅会晤。
1919年3月，偕夫人蒋碧薇赴法留学。
1920年，拜法国著名画家达仰为师。
1921年，离开巴黎，转至经济萧条的德国柏林，问学于画家康普。
1922年，从学于康普的同时，到博物馆临摹著名画家伦勃朗的画作，并常去动物园画各种动物，以提高写生能力。
1923年，返回法国巴黎继续学习。5月，作品《老妇》入选法国国家美术展览会（沙龙）。
1924年，未接到北洋政府发放的学费，生活窘迫，胃病复发。绘画技法日臻成熟。
1925年，与游历法国的黄孟圭结伴，途经新加坡回国。田汉在上海举行“消寒会”，向文化界人士介绍和举荐徐氏及其作品。
1926年，春日，返回法国。夏季，至比利时首都布鲁塞尔并在此临摹艺术大师约斯坦的《丰盛》，受益匪浅。自感这一年是创作最多的一年，其中不乏得意之作，如油画《箫声》、《睡》等。
1927年，先后游历了瑞士及意大利的米兰、佛罗伦萨、罗马等地，观赏到众多名家画作。
1928年1月，与田汉、欧阳予倩组织南国社。在上海成立南国艺术学院，担任绘画科主任。2月，应南京中央大学的聘请任艺术系教授。10月，任北平大学艺术学院院长，年底辞职。
1929年，专职在南京中央大学任教。在第一届全国美术展览会《美展汇刊》上连续发表《惑》、《惑之不解》等文章。
1930年，完成油画《田横五百士》。夏天，在江西南昌走访民间木雕艺人范振华。
1931年春，在比利时首都布鲁塞尔举办个人画展。完成《九方皋》第七稿。
1932年，在参照南齐谢赫提出的中国画“六法”论的基础上，根据西洋绘画的艺术法则提出了在素描创作上应遵循的“七法”。
1933年，完成油画《徯我后》。应法国国立美术馆之邀前往巴黎举办中国近代绘画展。
1934年，游历意大利威尼斯、佛罗伦萨、罗马等历史文化名城。8月，返回南京。
1935年，捐献作品及收藏，拟在广西桂林独秀峰下建一美术馆，由于全国抗战爆发，未能实现。
1936年，与汪亚尘、颜文梁等人组织画会“默社”。创作《逆风》、《沉吟》、《柳鹊》等画作。
1937年，在香港、广州、长沙等地举办画展。在香港购得视为自己生命的宋人画《八十七神仙卷》。10月，随中央大学内迁赴重庆。创作《巴人汲水》。
1938年，继续在中央大学艺术系任教。接受印度著名诗人泰戈尔的邀请筹备赴印展览。10月，携大批作品离开重庆。
1939年，在新加坡举办筹赈画展。在印度国际大学举办中国近代画展。
1940年，继续在印度逗留，与泰戈尔结下深厚的友谊。在加尔各答举行作品展。完成中国画《愚公移山》。
1941年，由印度回国，途经槟城、怡保、吉隆坡等地，举办画展，并将几年来卖画所得近10万美元全部捐出用于抗战救灾。
1942年，在云南保山、昆明举办画展。到重庆，继续在中央大学艺术系任教。在重庆盘溪筹备成立中国美术学院。
1943年，继续主持筹办中国美术学院。在重庆举办画展。
1945年，与蒋碧薇女士离婚。大病未愈，仍坚持在中央大学艺术系任教。在郭沫若起草的《文化界对时局进言》上签名，主张废除国民党的一党专政。
1946年1月，与廖静文女士结婚。担任北平艺术专科学校校长。
1947年，发表《新国画建立之步骤》、《当前中国之艺术问题》等重要文章。
1948年，与夫人廖静文拒绝随国民党南迁，团结北平艺术专科学校全体师生员工保护学校。
1949年，出席在捷克斯洛伐克共和国首都布拉格举行的第一届保卫世界和平大会、中华全国文学艺术工作者代表大会。当选为全国文联委员、文联全国委员会常务委员、第一届全国政协代表和北京市人民政协委员。任中央美术学院院长。
1950年，在全国战斗英雄、劳动模范代表大会上为战斗英雄画像。为创作《毛泽东在人民中》画了大量速写和构图。
1951年，抱病到山东导沭整沂水利工程工地体验生活，为劳模、民工画像，收集反映新中国建设的素材。7月，患脑出血，半身不遂。
1953年，抱病指导中央美术学院教学工作，为结业班的学生讲课，为教员油画和素描进修小组上课。为抗美援朝的志愿军画《奔马》。9月23日，担任第二次文代会执行主席，脑出血症复发。26日晨，逝世于北京医院，享年58岁。