1926年，谈家桢在湖州东吴第三中学毕业，因成绩优异被保送到苏州东吴大学生物系学习。在外籍教师特斯克教授方面的书籍，只用三年半时间，就修满了四年的学分，提前半年毕业，被留校任特斯克教授的助教。这期间，他一面在学校图书馆阅读大量图书，继续充实自己的知识，一面又在桃坞中学兼教生物学，还兼任惠寒小学校长、东吴大学1930届年刊的社长。尽管工作学习十分紧张，但他感到生活很充实，很有意义。
1930年秋，经东吴大学原生物系主任胡经甫教授推荐，谈家桢成了燕京大学李汝祺教授的研究生，从事“亚洲异色瓢虫的色斑变异遗传规律”的研究。白天，他在北京西山区的田野和森林里捕捉瓢虫和瓢虫的人工饲养物蚜虫，晚上在实验室里喂养瓢虫，并精心观察、试验、研究。他日日夜夜，不知疲倦，每天工作长达十五六个小时，终于在一年半后完成了一篇具有相当高水平的研究论文，获得了硕士学位。
1933年，谈家桢来到美国加州理工学院，成了世界上最著名的生物学家摩尔根的人室弟子。在那里，他每天不是泡在图书馆看书查资料，就是埋头在实验室里做实验。两年的时间，他在科学研究上又取得了丰硕成果，单独或与他人合作写成的10多篇论文，先后在美、英、法、德和瑞士等国的科学刊物上发表，有些论文在国际上被公认为经典之作。
1936年，27岁的谈家桢获得了加州理工学院博士学位。一年以后，又成了博士后。他热爱自己的祖国，在“科学救国”思想的支配下，他谢绝了摩尔根实验室的挽留，毅然回到了自己的祖国——中国。