W latach 1629–1631 przebywał we Włoszech, gdzie odwiedził kolejno Genuę, Mediolan, Weronę, Wenecję, Ferrarę, Cento, Loreto, Bolonię, Rzym i Neapol. Najwięcej czasu spędził w Rzymie. Wyprawa miała głównie charakter poznawczy. Malarz zetknął się bezpośrednio ze sztuką włoską, studiując i kopiując dzieła wielkich mistrzów: Rafaela, Michała Anioła, Tycjana i Tintoretta. W Neapolu poznał Riberę. Po powrocie do Madrytu został zaangażowany do prac dekoracyjnych w nowej siedziby królewskiej – Pałacu Buen Retiro oraz tzw. Salonu Królestw. W 1645 r., wkrótce po otrzymaniu stanowiska nadintendenta, został zarządcą konstrukcji Pokoju Oktagonalnego w madryckim Alkazarze. Nominacja ta, uzyskana kosztem jednego z artystów, doprowadziła jednak do znacznych napięć między dworskimi malarzami. Velázquez, aby załagodzić spór, poprosił o zezwolenie na wyjazd do Włoch.
Podczas drugiej podróży włoskiej w latach 1649–1651 (głównie w celu zakupu obrazów i zgromadzenia informacji przydatnych dla utworzenia planowanej Hiszpańskiej Akademii Królewskiej) artysta odwiedził Genuę, Wenecję, Modenę, Parmę, Bolonię, Neapol i Rzym. Dokonał zakupu dzieł m.in. Veronesego i Tintoretta. Spotkał się z takimi artystami jak: Pietro da Cortona, Nicolas Poussin, Mattia Preti oraz rzeźbiarz Giovanni Lorenzo Bernini. W 1650 przyjęto go do rzymskiej Akademii św.