Em 1929, estreitou relações com Le Corbusier e no ano seguinte participou do Congresso Pan-Americano de Arquitetos com a conferência “A cidade do homem nu”, na qual ressaltava a necessidade de um “novo homem”, despido dos preconceitos da cultura burguesa, reverberando teses que animaram o movimento antropofágico brasileiro. Em 1931, baseado em estudos sobre antropologia e psicanálise, realizou uma polêmica performance chamada Experiência N 2 , em São Paulo, em que caminhou, com boné na cabeça, em sentido contrário ao de uma procissão católica, a fim de estudar a reação popular. Posteriormente, publicou o livro homônimo. Participou do XXXVII Salão Nacional de Belas Artes, o chamado Salão Modernista.
Com Emiliano Di Cavalcanti e outros, Flávio de Carvalho fundou, em 1932, o Clube dos Artistas Modernos (CAM) – várias vezes fechado pela polícia. Ali se reuniam, para debates e atuações, artistas de vanguarda, pensadores marxistas e a população em geral. Em 1933, outro lançamento: o Teatro da Experiência, que encenou o seu O bailado do Deus morto, espetáculo experimental de teatro e dança, inspirado no Dadaísmo e no Surrealismo. Em 1934, sua primeira exposição individual foi invadida e fechada pela polícia (posteriormente reaberta por ordem judicial) por atentado ao pudor. Seus retratos de artistas (como Pablo Neruda e Mário de Andrade) e os autorretratos, dramáticos e expressionistas, repercutiram amplamente. Carvalho participou da Bienal de Veneza em 1938 e 1950 e do Salão do Sindicato dos Artistas Plásticos, em São Paulo, de 1939 a 1941.
Nos desenhos da Série Trágica (1947) registrou a agonia e morte da própria mãe. A partir de 1955, colaborou para o jornal Diário de São Paulo, escrevendo a coluna sobre moda e comportamento “Casa, homem e paisagem”. Em 1956, realizou em São Paulo o evento Experiência N° 3 , que consistia em uma caminhada do artista pelo centro da cidade trajando uma saia e uma blusa de mangas curtas e folgadas, chapéu transparente, meias arrastão e sandálias de couro, conjunto denominado Traje Tropical.
Em 1968, concluiu o Monumento a García Lorca, destruído por um grupo armado em 1969, em plena ditadura militar brasileira (posteriormente, o monumento foi reerguido). Apresentou-se em todas as Bienais de Arte de São Paulo dos anos 1950, depois em 1963, 1965 (quando foi premiado), 1967, 1971 (quando recebeu uma sala especial) e 1973. E, postumamente, em 1979, 1983 (ano em que foi apresentada uma retrospectiva de sua obra), 1985, 1987, 1989, 1994 e 1998. Em 1999, uma grande exposição intitulada “Flávio de Carvalho – Um revolucionário romântico” foi inaugurada no Centro Cultural Banco do Brasil, no Rio de Janeiro, em comemoração ao seu centenário.