哈佛大學地處美國馬薩諸塞州波士頓，始建於1636年，是美國第一所大學。不僅環境幽靜典雅，還聚集了一大批最優秀的教師，是奧本海默向往已久的高等學府。
1922年秋天，一到哈佛，18歲的奧本海默就全身心投入到這個極具啟發性的知識海洋裏。
每學期他都選修6門主課，而一般的學生隻按學校的要求選修5門。哈佛大學教學嚴格，要求標準之高在全美國的學校是出了名的。想獲得高分非常困難，每學期5門的課程，一般的學生能獲得B就是很不錯的成績了。很多學生為主課學習不堪重負。
而急切想獲得更多知識的奧本海默在選修6門主課的同時，還旁聽了其他4門他喜歡的課。在知識的海洋裏，他就像一個貪婪的海盜，不停歇地掠奪知識財富。
奧本海默一個同班同學這樣說道：“他在知識上掠奪了這個地方！”
他繼續攻讀文學，特別是法國作家的作品。同時也繼續學習希臘文，在哈佛這段時間中的磨煉，使他已經十分精通這種語言了。
第二年，他決定主修化學，這時的他對未來的就業生涯規劃仍沒有明確的方向，隻是朝著科學的大目標發展。
在以後他回憶道：“我還記得，當時和一群學長在討論我是該主修化學，還是礦冶工程，因為我很向往礦冶工程師的那種生活。其中一位朋友順口說：‘學化學吧！因為那樣才有暑假！’”
有了這個幽默的“命令”，他就全心全力投入讀書，很少參加課外活動。
他學習起來廢寢忘食，每天早晨8時就比別人更早地進入實驗室，隻在午餐時才稍停片刻，啃一片“黑黃餅”，也就是平時我們常見的塗上花生醬和巧克力的夾心麵包作為午餐。奧本海默利用一切可以利用的時間到圖書館進行一些科目的自學，因為課堂上老師講課的速度他認為太慢了。
在一次全校舉行的基礎課會考中，他的數學分數和哲學分數遙遙領先，這引起了同學們的猜疑，大家懷疑他有作弊行為，因為他經常不來上這兩門課。同學們還將此情況反映到學校的有關部門。
這在哈佛校園裏引起了不小的風波。為驗證奧本海默實際的知識水準到底如何，學校學術委員會特別組織了一次答辯會。結果在眾目睽睽之下，奧本海默引經據典對答如流，征服了所有聽眾。
據認識他的同學們回憶，他在哈佛的3年中，從來沒有陪一位姑娘出去玩過。也可能是從小上學就一直很優秀的緣故，他一直想保持在學校裏領先的地位，所以比別人更瘋狂地學習，但這也給有些神經質的他帶來精神上很大的壓力。
在最後半年，他發現了高等熱力學這門課非常有趣。這門課當時是由著名的實驗派物理學家珀西·布裏奇曼講授。這位教授在後來還獲得過諾貝爾獎。
奧本海默第一次與布裏奇曼相識，就深深地被這位教授所打動，這也使他第一次對物理學產生興趣。這門科學觸動了他心靈深處的哲學家氣質。他感到物理學不像化學那樣過分偏重於實用，而是偏重於基本理論。
他曾說過：“這是一門研究自然規律與秩序的學科，它探索物質和諧地存在與運動的根源。”
布裏奇曼最吸引奧本海默的是他那種哲學式的敏銳求知精神。
奧本海默描述布裏奇曼是一位“很棒的老師，從來不滿足於現狀，總是反複思考每個問題。他的方式就是深入探討物理精髓的最好方法。他更是位人人都想投其門下而習之的老師”。
奧本海默在跟布裏奇曼學習過一段時間之後，開始參加布裏奇曼領導的科學研究工作，他不甘做個旁觀者，決心投入其中。以至於哈佛畢業前，他請布裏奇曼寫了推薦函，申請到當時享譽歐洲的、物理學頂尖研究中心的英國劍橋卡文迪什實驗室，繼續從事物理學方麵的學習和研究。
他十分明白這並不容易，因為他從布裏奇曼那裏隻學到一些入門知識，以他在哈佛的化學學位，絕對不足以說服任何一位歐洲頂尖大學的物理教授收他做研究生。
另外，在和實驗派的布裏奇曼做了一學期的物理研究後，他發現自己並不適合實驗室的工作：他喜歡概念及理論，卻對與儀器和實驗器材為伍不感興趣。
盡管有這些困難，他還是決定繼續攻讀物理，特別是新的一門叫做“量子力學”的學科。這門新知識已完全扭轉了過去幾百年以來的物理學理論。
奧本海默為這幾年的刻苦學習付出了沉重的代價。他經常有一種鑽到牛角尖中而不能自拔的危險傾向，但正是這種精神，督促著他對問題的執著探討。
在1925年夏天，剛剛過去3年，奧本海默就比別的同學提前一年，以最高榮譽的化學學士學位從化學係畢業。在學校的名單上，他是被選中的30名大學優等生榮譽學會成員之一。
在尚未確定劍橋大學的入學申請是否成功之前，奧本海默就在1925年9月離開紐約，起程前往英格蘭。
在一星期的航程裏，他擬了一封正式信函，上麵說明他的學曆，並表明他到劍橋深造的決心，他寫道：“我計劃在3年後，取得劍橋大學的物理學位。……我更希望能早日從事物理方麵的研究。”
他自己很清楚做實驗並不是他的專長，他相對地屬於理論派，不過，他更清楚，要在劍橋出人頭地，他就一定要進實驗室才行。奧本海默到達英格蘭時，對未來充滿近乎天真的樂觀態度，他以化學高才生的身份準備轉行研究物理。
劍橋卡文迪什實驗室，是當時國際上最著名的物理研究中心之一，也是全世界物理學領域內，富有天才的學生與研究人員，崇拜的“麥加聖地”。
1925年，這個研究室由歐內斯特·盧瑟福所領導，他個人可以稱得上是20世紀最傑出的實驗派物理學家，他在輻射方麵的研究成就，還為他贏得了1908年的諾貝爾獎。
珀西·布裏奇曼的推薦信並沒能說服盧瑟福，讓奧本海默成為卡文迪什實驗室的一員。然而奧本海默自己仍毫不鬆懈地爭取，在秋季班開課前，終於獲得盧瑟福的同意。
在布裏奇曼的推薦信中，除了奧本海默具有“十分驚人的領悟能力”，而且“他研究問題表現出在處理上高度的創造性”，他還提到了奧本海默的一個弱點，就是他性格上還不太成熟。他喜歡頻繁地提問，來炫耀自己的博學，而且說話不太關注別人的感受，雖然他事後經常後悔。
奧本海默最不能容忍粗俗的語言或陳詞濫調，如果他認為某人正在用這種方式講話，他必定要打斷別人的話並加以斥責。他的這種冒犯別人的習慣正好與他平時彬彬有禮的風度形成鮮明的對比。
前往哥廷根求學
奧本海默來到劍橋大學後，被分配在電子的發現者、1906年諾貝爾物理學獎獲得者傑·湯普森門下，參與其所領導的一項實驗計劃。
69歲的湯普森是卡文迪什實驗室前任領導人，也是此處年紀最長的一位科學家。當奧本海默得知將在他門下學習的時候，感到非常興奮，他信心十足地認為自己肯定能在這裏幹出一番事業。
現任領導人盧瑟福是位外形魁偉、個性外向的新西蘭人，在個性及家庭背景上，可以說和奧本海默是截然不同。年輕時他就得幫家裏管理羊群。他所就讀的學校，都是根本無法提供新課程及科學實驗器材的二流學校。
盡管如此，盧瑟福在1885年滿懷雄心壯誌地抵達英國劍橋大學。他的特長在實驗上，憑借實驗，他發現了許多原子方麵的理論，來證明或反駁舊理論。
1925年，當奧本海默抵達英國時，一些著名歐洲的物理學家，如愛因斯坦、維爾納·海森堡、尼爾斯·玻爾以及其他科學家所提出的理論，再加上盧瑟福這群實驗派物理學家的發現，揭開了人類對原子知識探求的新紀元。
原子不再被視為固體，而是個被極度壓縮的能量場，就像是充滿電磁能的小颶風。相同的物質則是近乎空曠，偶爾點綴著原子這種能量場的空間。
原子本身不是整塊、不可擊破的物體，而是有能量充斥其間，整個能量互相關聯，卻又不時相離。科學家們將原子中各部分強迫分離，研究其結構及運動規律。
奧本海默能在1925年來到歐洲攻讀物理是件十分幸運的事。但同時在劍橋研究物理也讓他度過了一段沮喪的時光。
他在實驗室的具體任務是製作用於研究電子穿透能力的極薄金箔。但是，令他懊惱的是，他發現自己根本做不好這件事。而且他覺得這件事簡單重複，既枯燥又單調，似乎永遠也搞不完。
唯一令他感興趣的是湯普森和盧瑟福在實驗室討論量子理論。這強烈地吸引著奧本海默，他急切地想一下子接觸到量子物理的最前沿。理想和現實的巨大反差讓他終日躁動不安。
與此同時，他第一次接觸到創造性的物理學本質問題，從而在理論學習方麵也遇到了困難。他在哈佛主攻的是化學，缺乏物理學與相應的數學基礎，因此心理上承受著巨大的壓力。