主任教授は前田青邨で、以来前田青邨に師事する。1953(昭和28)年23歳第38回院展に作品《家路》が初入選、以後入選を重ねる。1959(昭和34)年29歳第44回院展に《仏教伝来》が入選。河北倫明氏の新聞評に取り上げられる。1961(昭和36)年31歳第46回院展に出品した《入涅槃幻想》が日本美術院賞(大観賞)を受賞。1962(昭和37)年32歳第47回院展に出品した《受胎霊夢》が日本美術院賞(大観賞)を受賞。第1回ユネスコフェローシップにより、ヨーロッパへ留学。(10月~翌年5月)1964(昭和39)年34歳日本美術院同人に推挙される。1966(昭和41)年36歳東京藝術大学第1次中世オリエント遺跡学術調査団に参加、カッパドキアの洞窟修道院壁画の現状模写に従事する。参加、第3号壁を担当。1968(昭和43)年38歳初めてアフガニスタン、中央アジアを取材。シルクロードと仏蹟の取材は、以後毎年のように行われ160回以上となる。43歳5~6月、アレキサンダー大王東征路の考古学的調査団(団長江上波夫)に参加、アフガニスタンからトルコまで陸路シルクロードの遺跡を取材。文化庁から高松塚古墳壁画の現状模写を委嘱される。ローマ法王パウロ六世に拝謁、聖グレゴリオ騎士銀褒章を贈られる。1975(昭和50)年45歳初めて中国を訪問。敦煌莫高窟を見学する。1988(昭和63)年58歳ユネスコ親善大使に任命される。1989(平成元)年59歳東京藝術大学長に就任。1993(平成5)年63歳文化功労者として顕彰される。1996(平成8)年65歳日本育英会会長に就任。故郷の広島県瀬戸田町に平山郁夫美術館が開館。1998(平成10)年68歳文化勲章を受章。2001(平成13)年71歳東京藝術大学長に再任される。2004(平成16)年74歳山梨県北杜市に平山郁夫シルクロード美術館が開館。