在南開，葉篤正開始全麵地接觸、認識社會。“記得有一次，我們路過省政府旁邊，一個老人在賣東西，省政府的兵不讓他在那兒賣，還踢了老人。我看見後很生氣，說你不讓他賣，就讓他走好了，你踢他幹什麼？結果這個當兵的把我也帶到省政府扣起來。在這種情況下，我感到社會上有完全兩樣的人——一個是欺負人的，另一個是被欺負的。”
1931年“九·一八”事變爆發。3年後，日本人把從北京到天津的長城以南地區，強行規定為“非軍事區”，在那裏建立了一個傀儡政府。一場民族的悲劇，開始降臨到中國人民身上。在“華北之大，卻放不下一張安靜的書桌”的年代，葉篤正積極參加學生運動，即將中學畢業的他差點被學校開除。
葉篤正是一位真摯的愛國者，他對母校南開中學的愛國主義教育皈依至深。近年他在接待“百年南開采訪團”的訪談時說：“說起南開中學對我的影響，要多大就有多大。我的愛國主義思想，是南開中學給的。南開告訴我們如何抗日。我所以念了理工科，是南開中學給我打下的基礎，造成了我對科學的愛好。還有張伯苓校長的教育思想，不管人們愛不愛聽，我都以為他的教育思想比現在高的多。南開中學不是讓學生讀死書，而是要學生懂得中國是怎麼回事。要德育、智育、體育全麵發展。我們那時有老師帶著大家出去看外麵的世界，我就到過山東的曲阜、泰山，開闊了學生的眼界。”
他又說：“我在美國獲得博士學位後為什麼要回國，就是要給中國做事，要把中國搞好。張伯苓校長把中國的教育搞到那樣髙的水平，太不容易了。他自己的生活非常節儉。他的辦學效率很高，那麼大的學校，沒有多少管理人員，卻管理得條條是道，一點也不亂。這讓我從他得身上看到，人就應該這樣工作，我就要學他，有他那樣的思想，有他那樣的效率！”
葉篤正又回憶說：“張伯苓校長很支持學生愛國運動，很支持抗日，但是他不讓你出去。你出去之後，會解決什麼問題呢？你被打了，被抓了之後，還是學校的問題，學校還得去救你們。可我當時根本沒有想到後果什麼的。”
在那個戰火紛飛、民族危亡的年代，葉篤正為自己今後的人生道路定下了遠大的目標：“南開中學的理科教育很好，培養了我學理科的興趣，我立誌要念科學，將來一定要把科學搞好。中國人實在是被人欺負得太厲害了！我感到，許多雙腳踩著我，我透不過氣來。”
受業於清華地學係
葉篤正在南開中學受到了良好的正規教育，學習成績優秀，於1935年7月高中畢業，隨後就在這個暑期，以優異的成績考取清華大學地學係（氣象組）。同時考入清華的南開35班同學有20餘人，分入文、理、工各科係；同入地學係的南開同學有王大純、李璞、白祥麟、王乃梁等。
葉篤正回憶說：“1935年，我進清華理學院，本來打算學物理。因為老打乒乓球，認識了物理係的錢三強。我大一，他大四。他說，有了好的數理基礎，不如學氣象，比學物理對國家更有用。就為這句話，大二選係的時候，我進了地理地質氣象係。”正是由於接受了錢三強的勸告，葉篤正轉而學習氣象——而這也決定了他一生的事業。
在葉篤正一生從事的氣象事業中，清華大學教授趙九章先生和李憲之先生是他的啟蒙老師。從清華大學畢業之後，葉篤正又考入了浙江大學研究生院，塗長望先生和王淦昌先生是他的老師。當時浙江大學的校長，是中國氣象事業的奠基人竺可楨先生。他辦校的“求是”精神，深深地教育了葉篤正。這些老師對他後來的發展，有著決定性的意義。
從1935年到1937年，是華北地區政治局勢巨大動蕩的時期。日本武裝侵華勢力進一步進逼，南京政府被迫同意在華北成立冀察政務委員會，向日本侵華勢力讓權。這便激起了全國人民的憤怒，引發了北京學生1935年末的“一二？九”和“一二？一六”反日示威學生運動，震動全國，運動此起彼伏。
由於在南開中學接受的愛國主義教育影響深遠，在清華和北大就讀的南開同學，始終都是北京學生運動的中堅分子。葉篤正當然也積極卷入了運動。這場反日運動在全國範圍內持續發展，為後來的抗日戰爭起到了全國人民思想動員的作用。
後來，1936年末發生的西安事變，是全國人民反日運動的必然結果，催化了全民抗日力量的大團結，催化了國共兩黨聯合抗日的協議，形成了全國軍民抗日思想的聯合戰線。武裝抗日的思想在全國範圍內臻於成熟。
翌年抗日戰爭開始時，葉篤正尚在清華大學讀完氣象學二年級。因平、津淪陷，北京大學、清華大學和南開大學奉國民政府教育部命令，轉移到湖南長沙合並組建長沙臨時大學，並定於1937年11月1日借地長沙韭菜園的聖經學院開學上課。在此之前，各校學生都分別得到赴長沙複學的通知。葉篤正按照通知離開平津，輾轉來到長沙報到學習。