Aunque Fortuny comenzó su estudio riguroso de la pintura antigua en Italia, donde copió a algunos maestros del Renacimiento y el Barroco, incluido Velázquez, fue en el Museo del Prado donde se aproximó a ellos de manera más asidua, a través de numerosas copias. Estimó especialmente a los artistas de las escuelas veneciana y flamenca, además de la española, de los que admiraba la calidad del color y la libertad de la pincelada. Entre ellos, el Greco, pintor poco apreciado entonces, le interesó hasta el punto de adquirir una obra suya. Junto a él, Ribera y Velázquez fueron objeto de algunas copias al óleo y a la acuarela que muestran su dominio de la anatomía, de las calidades táctiles y del color. No obstante, el maestro más apreciado por Fortuny fue Goya, de quien realizó el mayor número de copias. La penetración y calidad de estas interpretaciones no tienen parangón con las de otros pintores de su tiempo. Como referencia útil para su pintura el artista conservó en su atelier estas copias, algunas de las cuales alcanzaron altos precios en su venta póstuma.

Su estancia en Roma, pensionado por la Diputación de Barcelona, le puso en contacto a partir de 1858 con el gran arte del Renacimiento y el Barroco. En la Ciudad Eterna acudió a la Academia Gigi, donde realizó del natural estudios de desnudo que manifiestan su fina captación de las anatomías, a veces con una expresividad especial, fruto de su dominio tanto del lápiz como de la pluma. Su calidad como acuarelista es ya visible en obras como Il contino, cuyo asunto, un joven con atavío del siglo XVIII en un jardín monumental (el de Villa Borghese, en Roma), anuncia su dedicación posterior al género historicista. Otras piezas como La odalisca refleja su conocimiento del desnudo, impregnado de sensualidad, con un tratamiento mucho más libre y realista que el de sus trabajos en Barcelona.

La Diputación de Barcelona encargó a Fortuny que viajara a Marruecos para recopilar información gráfica con el fin de elaborar después cuadros que representaran las gestas más destacadas de la guerra hispano-marroquí, en la que participaron tropas de voluntarios catalanes. En Marruecos a partir de febrero de 1860, además de seguir la campaña que le llevó a presenciar, y luego a pintar, La batalla de Wad-Rass, el pintor se sintió atraído por las costumbres y los tipos árabes. Volvió en 1862 y tomó numerosos apuntes con el fin de representar para la Diputación La batalla de Tetuán, cuadro de grandes dimensiones que no llegó a terminar.

El descubrimiento de los espacios desnudos, la luz intensa y el color brillante del norte de África produjo un cambio radical en su pintura. Este es visible tanto en sus obras hechas del natural como en las realizadas en su estudio a partir de apuntes, de su recuerdo y de su imaginación. En estas últimas abordó con originalidad los aspectos de la vida árabe que por su pintoresquismo o por su misterio le habían interesado. 

Tras pasar unos meses en Barcelona, el artista volvió a Roma, donde continuó trabajando en motivos árabes y realizó también piezas que representaban tipos populares que veía en los alrededores de la ciudad. En esas obras desarrolló un estilo realista, estimulado por el trabajo de algunos artistas de la escuela de Nápoles, que había visto en la Primera Exposición Nacional Italiana en Florencia en 1861 y a los que había visitado en 1863.

Abordó ocasionalmente el retrato, en el que desarrolló su gusto por los matices de color, y recibió el encargo de pintar uno de los techos de la residencia parisina de la reina María Cristina de Borbón, que resolvió con originalidad. En una de sus estancias en Madrid, donde se casó en 1867 con Cecilia de Madrazo, hija de Federico de Madrazo, pintó una de sus obras más interesantes de esos años, Fantasía sobre Fausto. Esta pintura es buena muestra de la arrebatada imaginación y la vibrante pincelada con la que abordaba y resolvía, en pocas horas de trabajo, sus estudios, cuya técnica inmediata y hábil puede verse también en otros óleos.

Fortuny mostró una extraordinaria habilidad en las técnicas gráficas. A su temprano y ocasional cultivo de la litografía en 1857 siguió, en la década de 1860, una extraordinaria serie de aguafuertes que constituyó una de las cimas de su arte. En ellos abordó motivos árabes, otros de género y también algunos de inspiración clasicista, con una intensidad expresiva que sacaba partido de los diferentes recursos de la técnica, que había estudiado en las obras de Ribera, Rembrandt y Goya.

Tras su primer viaje a África se dio cuenta de que el aguafuerte era muy adecuado para sugerir los ambientes misteriosos que le atraían. Esos grabados ofrecen la mejor y más veraz versión del orientalismo en Europa. En El anacoreta, una de sus obras maestras, junto a la muerte se percibe la desolación de la naturaleza.

A través de su relación con el marchante de arte Adolphe Goupil, Fortuny obtuvo un éxito internacional que tuvo su muestra más visible en La vicaría, un cuadro de costumbres ambientado en la época de Goya. Junto a esa obra el artista abordó una amplia serie de composiciones de género, entre las cuales la más elaborada, La elección de la modelo (1868-1874), la pintó para su principal coleccionista, William H. Stewart. En estas obras Fortuny recreó un mundo de belleza en interiores arquitectónicos ricamente ornamentados en los que la pintura aparecía a través de distintos homenajes a otros artistas.

Junto a su laborioso trabajo en esas obras, continuó realizando acuarelas con éxito creciente, utilizando en ellas diversos procedimientos ejecutados con una gran libertad y un fino cromatismo, que transformaron por completo la práctica hasta entonces habitual entre los artistas. Su dedicación al dibujo le proporcionó, a través de apuntes del natural realizados en cuadernos, un material muy útil para sus cuadros y acuarelas.

Tras su triunfo internacional, una estancia de más de dos años en Granada proporcionó a Fortuny la tranquilidad que deseaba, lejos de París, en un ambiente de gran belleza que le inspiró un conjunto excepcional de cuadros. Allí también abordó escenas de género en marcos arquitectónicos compuestos.

Por una parte, su trabajo ante el natural dio lugar a estudios al óleo de figuras desnudas, rincones urbanos, paisajes, jardines y flores, en todos los cuales consiguió una captación nueva del color y de la luz. Por otra parte, realizó obras más complejas en las que combinó libremente elementos de distintas procedencias para crear espacios nuevos. Pintó en ellos escenas ambientadas en un pasado medieval islámico, renacentista o dieciochesco, y en las que sorprende la convivencia de elementos reconocibles con otros que eran producto de su imaginación. En estos cuadros la calidad de las arquitecturas elegidas como escenarios, enriquecidas con objetos decorativos estudiados en bocetos y dibujos, evoca un mundo maravilloso y ensimismado que el pintor pudo crear en la que consideró la época más feliz de su vida.

Su faceta como gran coleccionista de antigüedades está en íntima relación con la búsqueda de las calidades, el color y la luz, en su pintura. Preciosos objetos, algunos de ellos hoy en las más importantes colecciones arqueológicas del mundo, que demuestran su interés por la observación detenida y explican el extremado refinamiento en la captación de las calidades en sus propias creaciones y el asombroso virtuosismo de su obra, que extendieron rápidamente su fama entre los grandes coleccionistas de Europa y Estados Unidos.

La actividad coleccionista de Fortuny, comenzada con anterioridad a pequeña escala, se desarrolló entrada la década de 1860, y especialmente tras su contacto con anticuarios, conocedores y coleccionistas. En su estancia en Andalucía obtuvo, guiado por un seguro instinto, obras de arte hispanomusulmán de gran calidad. Se sintió atraído por toda clase de objetos, especialmente armas, cerámicas, textiles, marfiles, muebles y cristales.

Entre la variedad de estilos representados destaca el arte islámico, verdadero núcleo de su colección, en la que había también excelentes muestras de artes decorativas italianas y españolas, así como telas, biombos y grabados japoneses. El propio artista, dotado de una gran habilidad, trabajó en la restauración y aun en la elaboración de algunos objetos de apariencia antigua.

Durante los dos últimos años de su vida Mariano Fortuny abordó temas árabes que había tratado en años anteriores de una manera más sintética y con un dinamismo y una expresividad más marcados, a través de un colorido más intenso y de una pincelada más libre.

Por otra parte, en su última etapa se fijó con interés en algunos motivos de la vida cotidiana, como muestra la obra Carnaval de Roma, de 1873, así como, sobre todo, en los meses que pasó en la localidad de Portici, cerca de Nápoles, en escenas de su intimidad familiar, en las que representó a su esposa y a sus hijos.

Durante ese periodo de gran intensidad creativa, su trabajo al aire libre, junto al mar, le llevó a comprender el color local y su relación con la incidencia de la luz, llegando a representar las sombras coloreadas. Al tiempo, desarrolló otras orientaciones, como la inspirada por la estética de Extremo Oriente, en óleos y acuarelas de carácter íntimo, como Los hijos del pintor en el salón japonés.

Su inesperada y temprana muerte, que produjo una conmoción en la ciudad de Roma, suscitó un verdadero culto al artista, cuya obra se difundió y fue muy apreciada en los años siguientes.