Gracias a sus méritos artísticos se hace acreedor en 1886 al premio “Roma”, consistente en una subvención para estudiar y vivir en dicha ciudad por un período de tres años, aunque la condición para hacerla efectiva era aceptar la nacionalidad chilena. Baca Flor –apesar de su precaria condición económica– prefiere declinar la beca, ante lo cual el entonces presidente del Perú, general Andrés Avelino Cáceres, lo manda llamar a Lima y le concede una gracia similar a la que había renunciado. Ello le permite dedicarse a su arte y esporádicamente a la docencia en Lima, donde permanece de 1887 a 1890. En ese lapso pinta algunos retratos de personajes distinguidos como Scipión Llona y Antonia Moreno de Cáceres. En 1890 obtiene finalmente una pensión del gobierno para estudiar en Europa, a donde parte previa escala en Chile para visitar a su madre. Arriba a París el 7 de junio de dicho año, aprovechando su estancia para visitar museos y exposiciones. Pasa luego a Roma, donde se somete a un riguroso examen de admisión a la Real Academia de Bellas Artes. Aquí tiene ocasión de perfeccionar su talento artístico, siendo discípulo del pintor español Francisco Pajilla. La Ciudad Eterna, cargada de arte y cultura, deslumbra por cierto a Carlos Baca Flor. El artista se somete a un proceso de aprendizaje académico duro y difícil, el cual puede seguirse a través de la evolución de los desnudos que realizó por esos años y de las cartas personales que dirigió a su amigo Scipión Llona, en Lima. Regresa a París en 1893 y se matricula en la Academia Julian, dirigida por Jean-Paul Laurens y Benjamin Constant; entra con tan buena estrella que obtiene once medallas de primera clase. Posteriormente recorre el sur de Italia, y principalmente la isla de Sicilia, donde capta escenas de costumbres y tipos populares. La vida nocturna de París le atrae de modo acentuado, como se deja notar en sus cuadros de sorprendente modernismo postimpresionista (al cual no volverá después), vinculado con la técnica de Vuillard. Al mismo tiempo se perfecciona en el retrato y cosecha buen lote de admiradores. En 1907, a raíz de su participación en el Salón de Artistas de Francia, llama la atención del millonario norteamericano John Pierpont Morgan, quien lo invita a Nueva York, en donde en poco tiempo se convierte en el retratista favorito de la alta sociedad. Crecen tanto su fama y su prestigio que le permiten alquilar un taller en Manhattan, el que lamentablemente es afectado por un incendio en 1914, siniestro en el que el artista pierde un apreciable número de sus obras, bocetos y libros de arte.
Entre sus obras se encuentra media docena de retratos de John Pierpont Morgan, junto con los retratos de personajes célebres como los cardenales Bonzano y Eugenio Pacelli (futuro Papa Pío XII), el presidente de la Bolsa neoyorquina W.B. Dickerman y los banqueros George Baker y E.L. Marston. En Irlanda en 1938 pinta al presidente Eamon de Valera. Su mayor esfuerzo se concentra en captar con su pincel fielmente la realidad, dejando traslucir el carácter moral de los personajes que retrata.
Baca Flor fue incorporado en 1926 al Instituto de Francia, como miembro correspondiente de la Academia de Bellas Artes (sección Pintura). Con ello volvió definitivamente a París –ciudad que no había dejado de visitar– y, hallándose en la cumbre de la fama, ocupó en Neuilly el estudio que había pertenecido a Puvis de Chavannes. A su muerte, ocurrida el 20 de febrero de 1941, todas sus posesiones pasan a poder de Marie-Louise Faivre y Olimpia Arias, la una francesa y la otra española, que se habían desempeñado como sus secretarias. El traspaso de sus bienes se amparó en un documento suscrito seis años antes en Nueva York, que se presume habría sido una seudoventa hecha por el pintor en reconocimiento a la dedicación que estas mujeres le prestaron en sus últimos años. De todas formas, muchas de sus pinturas pasaron luego a manos del gobierno peruano, que las empleó para formar la colección inicial de pintura contemporánea del Museo de Arte de Lima. Además de los retratos que le dieron amplia fama, dejó cuadros de escenas religiosas, calles francesas y hermosos paisajes de Europa y Norteamérica.