1924年秋，周培源学成毕业，经考试，取得留美资格，与同学师长，与清华园依依作别。他回宜兴省亲之后，便踏上了赴美的行程。

　　船笛数声，远洋的邮轮启碇远航，它缓缓离岸，告别了上海十六铺码头。数十名清华甲子级同学，西装革履，神采飞扬，频频挥手向亲友们作别。

　　船只在黄浦江里悠悠东行。周培源与同学们久久地伫立在甲板上，凝望着浦江两岸。此行万里，求学他乡，虽然这是他们多年来憧憬的事情，但事到临头，不免心潮澎湃，几分兴奋，几分留恋，几分惘然。浦西外滩，西式楼宇已经矗立，它们肃然地向世界宣告，西方人在中国抢滩颇获成功。印度籍英国警察——上海人称之为“红头阿三”，耀武扬威地手持警棍，在街头傲慢地踱步。紧挨黄浦江与苏州河交汇处的外滩公园，已全然成了外国人的乐园，门口刺目地书写着这样的大字：华人与狗不许入内。而浦东，则是大片的棚屋区，一些衣衫褴褛、面黄肌瘦的被西方人蔑称之为“东亚病夫”的上海市民，象蚁群般寄居其中。此时此刻，这群年青的血气方刚的清华学子们，民族自尊心又一次受到了强烈的凌辱。奋发昂厉，学成救国，已成了他们共同的心声。他们之中有多种救国论，有主张“教育救国”、“政治救国”者，而更多的则主张“科学救国”。周培源也诚笃地认定，唯有发展科学，才能振兴祖国。

　　周培源原来有志于学工，后因爱因斯坦的“相对论”的理论为1919年的日食所证实，引起了整个世界的轰动，使他对物理学产生了浓厚的兴趣，他志在高远，要当一名“世界学者”。因此他选择了芝加哥大学数理系。芝加哥大学有两位著名的物理学家在那里执掌教鞭，一是光学家麦格森教授，他以实验否定了地球对“以太”的相对运动速度，否定了认为光的传播依靠“以太”的旧观念，从而蜚声国际科学界。另一个著名物理学家则是密立根教授，是1923年的诺贝尔物理学奖得主。他所编写的中学物理课本在当时国内中学被普遍采用，周培源在中学阶段曾学过密立根教授所著的教材，因而对他铭怀于心，高山仰止。只是，遗憾的是，由于当时信息不灵，当周培源抵达芝加哥大学时，密立根教授早已离开那里了。

　　船抵美国西海岸，清华的同学们各自按照自己的选择，奔赴各所大学。周培源则与学法律的冀朝鼎，同车来到位于美国中部的芝加哥大学。这所大学是美国一所年轻的学校，它成立于1892年，比清华学校早20年。建校以后，常有一些知名学者到该校任教，因而很快发展成为美国著名的高等教育研究中心，有美国“中西部的哈佛”之称。芝加哥大学最早采用学季制，将一年分为四个学季，每学季三个月。学季制对在校学生有激励作用，学生修满学校规定的一定数量的课程，即可获得相应的学位。按照清华原定的教学程序，周培源进入芝加哥大学，便直接进入二年级就读。第一学季，他选修了理论物理、数学和外语三门课。期末考试成绩三门课依次为A、B、C，平均成绩为B。根据学校规定，考试达到该成绩的学生，可于下学季修四门课。因此，自第二学季起，他便以修四门课的速度向前递进。夏季是学生的假期，外国学生一般都停学度假，而周培源依然奋发努力。这样，到1926年秋，加上原来他在清华所修的16门课，已累计修了47门课，超过获得学士、硕士学位所需的修课数量。因此，在该年春、夏两季，他分别获得了学士、硕士学位。其后，他又在芝加哥大学学了一个学季。便赴加州理工学院攻读博士学位。

　　芝加哥大学两度寒暑，是周培源最为奋发的年华。仿佛，如激流飞泻而下；青春的活力都倾注在学习之中了。他忘了假日，很少社交活动。生活在芝加哥两年多，他竟然没到市里观光，不知道这个百万人口的繁华都市究竟是什么模样。倘萨本栋被称作“不窥园”学生的话，周培源则可称作“不逛街”的学子了。入学之初，他租住郊区的一所民房，房东是位从德国移民来的老太太。老太太没有文化，因此他们共同的语言很少，除了日常的寒暄与问候，难能一起交流。后来他搬进学生宿舍，但因老师学生常常课后四散回家，互相交流机会也不多。往来较多的，还是一些留美的中国学生，除了一同赴美的清华同学冀朝鼎之外，尚有先后来到的吴有训、杨武之、孙唐等人。他也与清华学校同学张钰哲关系密切，经常与其在一起吃饭，一起散步，一起讨论。他们谈论的话题，大多有关国内的形势。此段时间，国共两党在实现第一次合作之后，革命形势渐趋高涨，广东革命政府挥师北伐，给了吴佩孚、孙传芳封建军阀以学生的打击。这些赤诚的海外学子，都为国内革命形势的发展而欢欣鼓舞，殷切希望国民革命取得成功。

　　学校附近有两个公园，东边是杰佛逊公园，依傍密西根湖，风景秀丽。西侧是华盛顿公园，这里很像英国伦敦的海德公园，常有一些美国人自发地聚集在这里议论政事与社会问题，有人发表讲演，或因不同见解而开展辩论。这是一个民间的论坛，从这里很能了解美国的政治以及他们的民主议政氛围。只是，周培源埋头功课，无心于此，也就很少光顾那里。倒是学法律的冀朝鼎，是华盛顿公园的常客，常常在那里津津有味地聆听各种讨论。

　　1927年春天，周培源来到加州理工学院。加州理工学院位于西海岸的帕萨迪那。学院小巧而幽雅，当时仅1000来个学生，三分之一是研究生。学校虽小，但因其学术水平高而名闻遐迩。1921年，密立根教授从芝加哥大学到该校，出任校基金委员会主席，主持校务。当时尽管美国的高等教育已很发达，但基础科学的研究中心仍在欧洲，许多著名学者，像爱因斯坦等都在欧洲名牌大学。密立根教授为提高学校声誉和教学质量，从欧洲和美国国内重金聘请一些著名教授到校授课，其中有著名数学家贝尔教授和数理教授贝德曼。在芝加哥大学，周培源曾聆听过贝尔教授讲解的“相对论”课，对之产生了浓厚的兴趣。初到加州理工学院时，他先是师从贝德曼教授，后因在博士论文选题上与导师意见相左，便放弃了贝德曼教授为他选定的研究课题，自己另选了一个有关“相对论”方面的题目，而改以贝尔为导师。贝德曼教授襟怀豁达，颇有绅士风度。他知道周培源对“相对论”有极大的兴趣，而尊重他的个人选择，对他改投他人门下，并不以为忤。

　　贝尔教授当时在世界科学界大名鼎鼎，颇有些传奇色彩，常以两个不同的笔名在报上发表观点截然相反的文章，展开热烈的笔战。他对这位来自中国的聪明勤奋的学生十分器重，青睐有加。学生尚未毕业，就推荐他到美国数学学会南加州地区的学术会议上，作题为《劳伦兹变换的一个新推演》的学术报告。周培源是与会者中间唯一的在校学生，青年学者，俊秀儒雅，如玉树临风，颇引人注目。1928年，周培源顺利地完成了题为《在爱因斯坦引力论中具有旋转对称性物体的引力场》这篇博士论文，论文中引入了一个物理条件，从而获得了轴对称静态引力场的一些解。受到了导师贝尔教授和前导师贝德曼教授的高度赞扬。贝德曼教授不但不计较周培源改投他人门下，反而高度赞扬周培源的论文，率先提出应该授予他最佳论文的称号。于是，周培源获得了最佳论文奖，这是博士学位的最高荣誉。

　　是年春天，春风桃李花开日，周培源经过五个学季的苦读，读完本应两年完成的博士研究生课程，穿上了博士服，取得了最高学位，成为当年全美数学和物理领域毕业的49名博士之一，也是取得理论物理博士学位的第二个中国人（第一个是王守竞）。他以这样短暂的时间，跨越了三大步，完成了学士、硕士、博士的三级跳，并且跳出了优异的成绩，这在清华的留学史上是空前的，因而吴有训曾赞誉他为“清华第一高材生”。他的优异成绩的取得，不仅仅是由于出众的天赋，更在于他的刻苦与勤奋。每年夏季，学校放假达三个月，学生们都到夏令营里从事各种活动，修身养性。周培源在参加活动的同时，却没有放弃学习，本应轻松的时光却在繁忙中度过，这正是他取得成功的诀窍。后来他把一生的学习研究心得归纳为四个词：独立自主，实事求是，锲而不舍，以勤补拙。

　　在加州理工学院，周培源与外界的社会交际增多了。他参预了教授俱乐部的活动，结识了学院的助理教授布雷格曼，并与他成了好朋友。布雷格曼将自己的一间房子租给了周培源，房子离学校很近，他每天都去教授俱乐部。当时主持校务的密立根教授和周培源的导师贝尔教授也每天到俱乐部来。进餐时，师生常常进行无主题性的交谈，谈话涉及政治、社会、经济与民情风俗等等。这种谈话和风细雨般沁入了他的精神世界，加深了他对美国全方位的认识。布雷格曼夫妇外出旅游，也常邀他同往。通过这些社交活动，使他深入地了解了美国的社会和科学文化，为他后来成为中美科学文化的一座桥梁奠定了基础。

　　1927年4月，国内发生了“四·一二”政变。周培源此时抵达加州理工学院不久，研究生中唯有他来自中国大陆，人事生疏，住处信息渠道不畅。每天他只能通过来自旧金山的《少年中国晨报》了解国内事态。该报是一份反共的报纸，尽是刊登一些所谓共产党烧杀抢掠的新闻。看过以后，他心存疑虑，却苦于得不到其它信息。6月，他去斯坦福大学暑期学校学习，恰逢美国西岸中国留学生夏令营设在斯坦福大学，他就参加了。夏令营中，他见到了清华甲子级的三位同窗好友：施滉、冀朝鼎、徐永瑛。施滉就读于斯坦福大学，冀朝鼎和徐永瑛则是特意从东部赶来参加夏令营的。

　　施滉、冀朝鼎、徐永瑛三人，在清华时即有志于社会改革，热心于政治。施滉、冀朝鼎曾牵头组织了“唯真学会”，经常参加各种体力劳动，深入到学校附近的驴车夫、洋车夫中间去观察体验，编印过《劳动者》小报向劳动群众散发。1923年，施滉、冀朝鼎、徐永瑛等8人在唯真学会内又成立了一个叫“超桃”（超过刘、关、张“桃园三结义”的意思）的秘密核心组织。他们强调集体主义精神，有严格的纪律，并提出了“政治救国”的主张。他们在毕业前曾去广州拜见孙中山，受到了孙中山的热情接见。在广州，他们还见到了李大钊，从此对共产党有所认识，回到北京后，常到李处请教。出国前夕，李大钊曾叮嘱他们要注意了解美国的社会情况，要结合中国的实际情况学习对人民有用的知识。

　　针对“四·一二”事件，夏令营的人分为左、中、右三派，华裔子弟基本上是右派，附和蒋介石集团；留学生中有一部分人是中间派；施滉、冀朝鼎、徐永瑛、石佐和谢启泰（章汉夫）则是左派。施滉是《民国日报》特邀记者，国民党员。“四·一二”政变以后，他带头站出来反对蒋介石。夏令营里右派同左派的斗争非常尖锐，唇枪舌剑，互不相让，有时甚至争执到双方拳脚相加的程度。左派同学列举了大量的事实，尖锐地揭露了“四·一二”反革命事件的真相，给了周培源以深刻的影响，使得他对蒋介石为代表的国民党右翼有了一个清醒的认识，与国民党政府保持了相当的距离，从而作为一个爱国的正直的清白的教育家与科学家而立身处世。后来，周培源在回忆那三个同窗好友时说道：“在那个夏天，他们向我详细介绍了‘四·一二’事件真相。可以说，我的政治启蒙教育是从那年夏天开始的。”（注1）

　　周培源在加州理工学院取得博士学位以后，准备赴德国莱比锡大学继续深造，去做访问学者。去欧洲以前，他先去美国东部的哈佛大学、普林斯顿大学和康奈尔大学等几所老牌学校做短暂的访问学习。1928年秋天，他离开康奈尔大学抵欧洲。

　　他到欧洲时，离莱比锡大学开学日期还有一段时间，便利用这段时间，经法国巴黎去意大利参加了一次国际数学学术会议。这次短暂的旅程，使他在生活里程中开拓了视野，也增添了新的情趣。他轻腿捷步，登上了阿尔卑斯山，领略了欧洲大陆奇丽的风光。在古老巴黎，他观赏了闻名于世的埃菲尔铁塔、凯旋门、巴黎圣母院、卢浮宫等，法兰西民族的精美杰作使他赞赏不已。意大利的风光则更具古韵，它既是人类古代四大文明之一的古罗马的发源地，又是资产阶级思想启蒙运动——文艺复兴的摇篮。在文艺复兴运动中，意大利不仅产生了像达·芬奇、米开朗琪罗、拉斐尔等伟大的艺术家，也造就出像布鲁诺、伽利略那样献身真理的伟大科学家。在意大利，他游历了古罗马城及著名的水上城市威尼斯和文艺复兴运动的发源地佛罗伦萨，使意大利几千年的文明尽收眼底，同时他也受到近代科学、艺术大师的流风遗韵的有力感染。在法国和意大利的的游览中，最使他感兴趣的还是两国古代艺术家们创作的绘画、雕塑等艺术作品，美丽的艺术世界，使他的心灵为之震颤，从此使他对古代艺术产生了浓厚的兴趣。后来他与夫人王蒂澂共同爱好并收藏中国古字画，似可溯源于此。

　　1928年10月，国际数学会议结束以后，他从意大利来到德国，进莱比锡大学随海森堡教授研究量子力学。海森堡教授是量子力学的创始人之一，创立了量子力学的矩阵解法，后来获得了诺贝尔物理学奖。在周培源来莱比锡大学的前一年，他阐述了著名的测不准关系，这是量子力学中的一个基本原理，也是海森堡的主要学术成就。海森堡仅长周培源一岁，也喜运动，特别爱好打乒乓球，一直是冠军。但周培源来了之后，海森堡教授经常被周培源打败，只得屈居亚军。在学术研究之余，常常同周一起打乒乓球，两人相处极为融洽。

　　周培源随海森堡教授做了一个学期的研究工作。1929年上半年，海森堡应邀去美国讲学，而周则应瑞士苏黎世高等工业学校泡利教授之约，从德国到了瑞士，在泡利教授领导下继续从事量子力学的研究。

　　同年秋天，他应清华大学校长罗家伦的邀请，返回母校担任物理系教授。周培源结束了5年的海外留学生涯，带着知识与荣誉，回到了日思夜想的祖国，回到了水清木华的母校。此时，他刚过了27岁生日，成了清华园物理系最年轻的教授。