1919年秋光晴好的时日，周培源迈进了清华学校的校门。
侘傺的少年时代已成逝水烟云，父亲恨铁不成钢的严厉的呵责，也如夜梦初醒的清晨倏然消隐。在他面前铺展着的，是一条毕业留美，依稀通向云端的天路。
清华园比他想象中还要优美。校园里静穆幽雅；绿草如茵，又吹拂着清爽的秋风。校舍合璧中西，工字厅、古月堂等处，依然保留着中国皇家园林的庭院结构，而体育馆、科学馆、大礼堂、图书馆，则完全是西式典雅明净的风韵。园内山林俊秀，水清木华，清澈的万泉河水从校园里蜿蜒流过，勾连着一处处小溪荷塘，莲叶田田，落花的芰梗上已结满了莲蓬。登高而望，西山巅连，隐隐迢迢，他心中感到无比的愉悦、舒畅。
此时，正当“五四”之后，运动的余波犹在，爱国激情如风鼓波涛，新文化运动的新思潮汹涌澎湃，一些有头脑有热情有正义感的青年学生，很少能够置身事外。他们中间，练达沉静的陈长桐、思想敏捷、口若悬河的罗隆基等人，成了众人拥戴的领袖人物。他们不但领导学生参与社会运动，还组织他们在校内闹学潮，或策划于内，或鼓动于外，撰通电，写宣言，一时颇为活跃。虽说“五四”运动的发祥地是北京大学，但地处西郊，年龄较小的清华学校的学生们，仍是不甘落后。他们闻风而动，响应北大学生的罢课号召，长驱进城，参加了多次游行示威与演讲活动。6月3日4日，北京各校学生曾经云集天安门，清华学生队伍尤其整齐有序，人数众多。他们集体被捕，占各校被捕人数之首。自此以后，清华的学生们表现出了一股蓬蓬勃勃的朝气，淬砺奋发，沛然而莫能御之，学生中的民主意识开始觉醒，言论自由的倾向迅速增长，求知欲望强烈，学生社团如雨后春笋般崛起。
本来，清华学生的社团就很多。喜欢理科，抱有“科学救国”理想的学生，成立了“清华科学社”；喜欢书法的组成了“戏墨社”；爱好文学的有“清华文学社”。闻一多不仅是文学社的骨干，又另外发起成立丄社。“丄”是“上”的古体字，闻一多解释说：“我们的言行应该天天向上；难道我们的国家民族不需要我们有志向上吗？”一般的社团，都有自己的章程和宗旨，并且常在“宗旨”一条上，写上“磨砺道德，交换知识，联络感情”一类条文。由于“五四”运动的感召，清华园一、二年间，迅速成立了数十个社团，除文化学术内涵之外，一些社团的政治性也开始加强。如“暑假修业团”，改组为“唯真学会”，宗旨是“本互助和奋斗的精神，研究学术，改良社会以求人类的真幸福”。学生中的民主思想和爱国主义思想开始勃兴，新思潮风起云涌，什么“科学救国”、“ 实业救国”、“平民教育”、“学生自治”、“劳工神圣”、“工学主义”、“新村主义”等思想主义在校内遍地开花，学生的思想十分活跃。为了练习“学生自治”，学生会仿照资产阶级三权分立的议会民主制度，设立了干事会、评议会和学生法庭。学生们积极干予校政，在陈长桐、罗隆基等学生领袖的带领下，罢课抗议，先后赶走了压制学生运动的校长张煜全和金邦正，充分显示了学生的力量，改变了清华学生驯顺规矩的形象。
清华学校当时归属北洋政府管辖，并受美国公使馆控制，他们当然不会放任学生们造反，从各个方面加强了对学生的管束。学校的三人董事会甩出了撒手锏，对于参加支援北京八校教员的索薪斗争而“同情罢考”的学生，各留级一年，推迟出洋；并以“除去自治障碍物”为名，大批开除所谓的“不良分子”；在教学上推行所谓“科学计分法”，加重学生负担，逼迫学生转移对政治与社会的关注，钻进书本。在此种情况下，使学生中的积极分子发生了分化。尽管如此，1921级毕业生中，闻一多等28名“同情罢考”的学生，刚直不屈，坚守气节，宁愿推迟一年“出洋”，而遵守了罢课的誓约，显示了人格的高尚与尊严，显示了中国士人传统的铮铮风骨。
周培源虽然没有在清华赶上“五四”运动的高潮，但作为一个因声援北京的“五四”运动上街游行而被学校开除的爱国而正直的热血青年，面对清华扑面而来的爱国与民主的热浪，热血不可能不沸腾。只是，无证可考，我们不清楚他在清华学习期间的政治表现。或许，他与大多同学一样，积极参加各种社团活动，并追随学生领袖们参加校内校外的一些政治活动。也可能，他束缚于父亲的“紧箍咒”，接受了青少年时代坎坷的求学历程的教训，从而不闻或少闻政治，埋头于读书学习。
他的学习肯定是很奋发的，加上他原先在上海圣约翰大学附中良好的学习基础，入学一个月后，即由中等科三年级升入四年级。中等科毕业时，他的学习成绩名列年级第二，顺利升入高等科。1923年，他还曾担任甲子级的级长。
有据可查的是，周培源十分热心并擅长体育。清华学校历来重视体育活动。下午四点以后，即强迫学生放下书本，到运动场或体育馆进行锻炼。运动场上，学生们从事各种田径活动，棒球队、足球队十分活跃。体育馆内则喊声震天，拼木地板被蹬跳得咚咚作响，二三十人，在篮球场上往来驰骋，两军对垒，难分难解，不讲规则，没有界限，似牛群一般自由纵横，“野”性十足，故被称作“斗牛”。
周培源身材颀长、细瘦，不喜欢“斗牛”这种力量型的活动，而喜欢在体育场上奔跑或游泳池里游泳。同级同学中，尚仲衣亦擅长跑步，他们常在一起锻炼。1920年，马约翰任体育主任，这个经常身穿白衬衫，打着黄领结，穿着灯笼裤，脚着白网球鞋的欧化的体育教授，慈祥可亲地给学生们上体育课。他高兴地发现了周培源、尚仲衣的跑步才能，对他们亲睐有加。周培源多次参加了学校举办的运动会。他的“仙鹤腿”，又细又长，跑起来像“鹭鸶”、“仙鹤”，很是优闲洒脱，多次获得过3英里、1英里、880码等中长跑项目的冠军。他与尚仲衣，均曾代表清华，参加过华北运动会。作为学校的体育选手，他们在饮食上享有优惠，食堂里特设“训练桌”，大鱼大肉，四盘四碗，使同学们为之侧目。马约翰在体育运动中特别强调活跃果敢的精神，强调“干到底，绝不让步（别松劲）”的精神，这给了周培源终生性的影响。
同学们来自四面八方，经考试优选，俱是各地俊彦，聪颖好学。然而，他们毕竟都是孩子，脱不了淘气、顽皮的天性，一般打闹、玩笑不说，给同学起一个绰号，这也成了他们后来忆旧的一种谈资。叫方重的被称作“砚台”——又方又重；潘大逵被称作“大鬼”；周培源是宜兴人，宜兴是陶器之乡，同学恶作剧，赐了他一个很不雅的绰号叫作“夜壶”……
同学少年，风华正茂。假日里，除了一些特别用功的学生之外，一般学生常旅足城内，或游览西郊。故宫、天坛、景山、陶然亭均留有清华学生的倜傥身影，西郊名胜更让他们心驰神往。他们或步行，或骑驴；少则二三人，多则数十人；游潭柘寺，登妙峰山，去十三陵，爬八达岭……至于校园的西侧圆明园，虽然断柱残壁，瓦砾遍地，却是他们常去的地方。他们在这里凭吊历史，发思古之幽情，“自强不息，厚德载物”的清华校训，似乎在这里找到了庄严的课堂。在这里，他们青春的热血沸腾了，情动于中，很自然地吟唱起“五四”时期流行的一首歌曲：
中国男儿，中国男儿
要将双手，撑天空
长江大河亚洲之东，峨峨昆仑
古今多少奇丈夫
碎身黄尘燕然勒功
至今热血犹殷红。
同学之中性格各异，兴趣不同，他们之中有着说不完的趣事。在周培源同级学生中，被称作“大鬼”的潘大逵，只花了25个银元，便从一个奉军逃兵手中，买了一匹黄膘马，把它养在西园的土洞里，课余则常骑上马背，练习骑术。这一爱好，居然促使他在留美期间进入了美国骑兵大学学习。1923级的几个学生在西园的土坡上挖了一个小洞，按上一个木栅门，在里面养了一群鸡。下课之后，他们轮班放养鸡群，打扫鸡舍，不厌臭和脏，反而兴趣盎然，甚至有人因此而立下了宏志大愿，要一生以饲养家禽为业，日后留美学农。
学校的生活是多姿多彩的，学生们自办各种级刊与年刊，中外名人经常来校讲演，学生社团还经常组织各种演讲会和辩论会，还不时有戏剧歌舞表演。每周六晚上照例有周六同乐会，师生们一起演戏、唱歌、背书、说笑话……
另一方面，清华学校的教学管理是十分严格的。三个小过，积一大过，三个大过即被开除。70分为及格分，多课不及格即遭淘汰，每年从各省招考插班生递补。一般情况，每级学生，最后约有三分之一被淘汰出局。这种优胜劣汰的严格学制，激发了学生们刻苦攻读的精神。相传，著名的物理学家萨本栋，在清华读了八九年书，却没有去过附近的颐和园，有人称赞他为“不窥园”的学者。
显然，周培源也是一个刻苦攻读的学生。他努力地学习人文课程，如饥似渴地阅读了陈独秀、胡适、鲁迅、郭沫若等领时代风骚的文章和诗歌。他们作品中民主进步的现代思维，以及反封建思想与爱国主义激情，给了他以深刻的影响。他认为人文课程不仅能够陶铸一个人的世界观、人生观，同时也能启发人的创造性思维，文史哲与数理化之间有许多相通的东西。这种思想的形成，得益于清华学校倡导的“通才教育”的方针。只是，他更喜欢的是数理化，崇尚的是“科学救国”的主张。他奋发地学习数理化的基础知识，并不满足教科书上讲的东西，而是开动脑筋，涉足科学研究领域。
在读高等科三年级时，他学习了解析几何这门课程。那时，三等分角还是古希腊以来平面几何中存在的一个悬而未决的问题。他则提出利用巴斯开蜗形线（现称帕斯卡蚶线）和聂苛默德蚶形线（现称尼科米迪斯蚌线）的两种解法解三等分角，并推广到n等分角的解。根据这种推理，他写成了《三等分角法二则》这篇论文。这个问题的求解说明一个道理：当科学问题用简单的数学或实验方法不可能解时，采用高深的理论与精确的实验方法就有可能得到解决。他的数学老师郑之蕃先生对他的这种创见，很是赞赏，把这篇论文推荐给了《清华学报》。当论文发表时，周培源已在芝加哥大学学习了。
1921年山东德州地区发生严重旱灾，美国红十字会向中国捐款救灾，用以修建一条自平原经恩县到夏津的简易公路，并由美国人负责施工。周培源被招去做翻译，工地在刘家庄，他住在一座土地庙里。一次，周培源看到一位衣衫褴褛的老人走进庙里，在一堆污秽的废弃物中捡拾花生壳，当他得知老人准备将花生壳磨成粉用来食用时，心不禁被深深地震撼了。社会生活，使他亲眼目睹了军阀混战中底层民众的悲惨生活，加深了他的忧国忧民的意识，直至晚年，他向女儿讲述此事时，眼神里依然充满了忧郁。他一生日常生活十分俭朴，常说“要把富日子当穷日子过”。吃完稀粥，总要把碗舔干净；内衣缝了又缝，补了又补，轻易舍不得抛弃。这种生活作风，体现了他的平民意识，而这种意识的养成，则应溯源于青少年时期。
清华毕竟是美国以退还的部分“庚子赔款”办起来的，为美国驻华公使馆所控制，并以培养学生出洋留美作为宗旨，因此它的办学方针、学制、教材以至教学器材几乎都是搬用美国学校的。清华早期建筑的设计图样，也是出自外国建筑师的手笔。在学校范围内，英语反客为主，替代了汉语，除了少数几门国学课程用汉语授课外，其余课程均用英语。学校的行政会议、布告、级刊与年刊，教员及中外名人在校的讲演、学生自己的演讲会和辩论会、戏剧歌舞的演出等等，大半都使用英语。教员中，十之八九来自美国留学生或从美国招聘。英语的课时最多，一天常有五六个小时，且英语课一般都安排在上午时间。相形之下，国学课程少得可怜，且基本上都安排在下午。教师的地位亦因此而表现出明显的差别，美国教师被安排在人称“美国地”的西式平房中，房屋宽绰，水、电、卫生设备一应俱全。用汉语教学的中国教师住的地方最差，他们住在“古月堂”的四合院中，设备与条件不可与“美国地”同日而语。因此，当英国哲学家罗素于1920年来清华参观后，情不自禁地发表了这样的感慨：“清华学校恰像一个由美国移植来的大学校。”
美国不仅给清华带来了语言与文化，也带来了民主、平等、自由等现代观念，使学生们受到了民主体制的启蒙。潘光旦、梁实秋等人在回忆清华学校的文章中，都讲到了一种集会议事的民主规则，这种规则，曾被孙中山先生称作“民权初步”。它使学生们睁眼见到了有异于封建专制的另一种体制，从小就学会了什么动议、附议、修正、搁置、最后表决、秩序问题、权利问题等等。也正是由于这种民主意识的启蒙，1919年，学生们向学校争取到全校学生会的组织，组成了全校的代议机构——“评议会”，由各年级的级会推选一定名额的“评议员”组成。同学们效仿西方三权分立的民主政治，向校方争取到了立法权与行政权（司法权则一直掌握在校方手里）。1920年后，同学们一度成立了“学生法庭”，选出了审判官与检察官。一些学生峨冠博袖，大模大样地扮演着各种角色，虽然一桩民事案件都没有处理，但都身心俱入地进行了一番演习，使他们铭刻于心，终身受用。
说不尽的水木清华。
一方面，国家积弱，民族多难，民族自尊心激发了每个有正义感有良心的青年学生的爱国激情。另一方面，西方先进的科学民主体制，已经撬开了铁锈斑斑的古旧的中国封建大门，尤其是清华这样的留美预备学校，它遥领风气之先。中国传统文化中沿袭久远的“气节”与“风骨”，与西方科学民主的现代观念，不同程度地鎔铸了清华学校学生们鲜明的文化性格，从而决定了他们终生的道德价值取向。纵观周培源的一生，不难看出清华对他的深刻影响。水木清华，春风化雨，教之育之，令其终生难忘。