1934年夏，盛彤笙在上海医学院读完本科三年级，还差两年毕业时，碰上原籍江西招考公费留学生，其中有去德国学习兽医的一个名额，这是一个十分难得的出国留学机会。盛彤笙经再三考虑，即赶回南昌报名应试，并被录取。这年9月，盛彤笙中断了在上海的学业，和同窗好友屈伯传同船赴德国留学。海轮出发的汽笛拉响，辞别了送行的人群，海岸线渐渐模糊了，波涛载着海轮渐行渐远，他的目标却愈来愈清晰。科学救国，教育救国，才能使祖国强盛，民族自立，这是盛彤笙等一代知识分子抱定的理想和肩负的使命。在海上航行了一个多月，他以过人的天赋和刻苦精神，凭借过硬的英语功底和初级德文基础，开始学习新的语言。近800小时的船上生活，对别人来说，除了看日出日落，也许便是百无聊赖，但他却沉浸在紧张的学习和美好的期盼之中，到柏林时已初步能用德语会话。以后他租住在德国人家中，半月后与德国人通电话时，对方已不能分辨出他是外国人了。
德国的大学全都是国立的，学制也完全相同。它们的传统是鼓励学生频繁转学、借读和选课，以便聆听各校著名教授的不同学术观点，兼收并蓄。这就给基础扎实、天赋超群的盛彤笙更加自由的发展空间。入学后的第一学期是在慕尼黑度过的，第二学期便转学到了柏林。由于柏林大学的医学院和兽医学院设在同一条街上，而且是门对门，这就给他在两个学院选读功课提供了便利。由于他在上海医学院上了三年级，该校的严格训练也得到德方的承认，校方根据他的学历，建议应该首先读完医学专业，并准予免修部分课程。这两年，是他学习最紧张的时期，每天学习、实验都在12小时以上。他不但学完了在国内未学的专业课，还选读了著名教授Rossle博士的病理学，Magnus博士的外科手术和Von Eicken博士的耳鼻喉科治疗示范等课程。1936年 夏，通 过 了《有关应用洋地黄后负荷提高问题的研究》论文的答辩，获得柏林大学医学博士学位。
之后，盛彤笙又转学到汉诺威兽医学院完成兽医方面的功课和博士论文。由于有坚实的医学和动物学基础，仅用两年的时间，他便以优秀成绩顺利完成了兽医专业的学习，于1938年夏返回柏林大学兽医学院，通过论文《弗氏流感杆菌与猪流感杆菌和仔猪流感杆菌的比较研究》的答辩，深得导师的嘉许，获得兽医学博士学位。
四年的留学时光，对盛彤笙在以后的做人、做事和做学问方面都产生了极大的影响，培养了他毕生严谨的治学态度。他曾经回忆说：
“在德国，我有机会聆听和目睹了许多名教授的讲课和手术表演，大大开阔了视野和眼界。其中印象最深的，在医学方面的有柏林大学病理学教授Russle博士的精湛讲授，外科教授Magnus博士的课堂大手术表演和耳鼻喉科教授Von Eicken博士的课堂治疗示范等，在当时都是令人叹服的绝技。在兽医方面，柏林的Dobberstein教授和汉诺威的Cohrs教授的病理学；柏林的Neumann—Kleipaul教授和汉诺威的0ppermann教授的诊断与内科学；汉诺威兽医学院的HenkeIs教授的外科、Goetze教授的外产科和牛病学方面的讲授和手术表演，也都是有极高水平的。特别是指导我的博士论文的汉诺威大学Miessner教授和主持答辩的柏林Dahman教授，都是当时世界兽医微生物学方面的权威，他们的严谨治学精神和不厌其烦的教诲，使我至今感激难忘。”
盛彤笙很赞同“读万卷书，行万里路”的古训，利用假期，常与同学结伴外出游览，几乎走遍了欧洲所有国家，饱览了各国风光、了解了各国民情，特别是巴黎凡尔赛宫和卢浮宫及罗马教皇博物馆的艺术珍藏，大大开阔了视野。他将这种游历，称之为“游学”。有一个暑假，他与另外三个留德同学一道去法国，由当地一位留法同学做导游，这位同学在法国也才待了不到一年。五个人上了公共汽车，大家都知道盛彤笙不会法文，仅在前一天晚上刚学会用法语说“一，二，三”。那位留法同学说：“今天咱们叫彤笙买车票，看他怎么买5张。”只见盛彤笙走到售票员面前，拿出钱来，说了一个法语单词“三”，售票员撕给他三张票，并找了钱。他又递上够两张票的钱，说了一个法语单词“二”。那售票员愣了一下，再一看这一伙五人，马上明白了，立刻又撕给他两张票。他拿着5张车票得意地说道：“现炒现卖，管用！”到了埃菲尔铁塔下，在电梯入口前，有工作人员把他们拦了下来，对着他说了一通法语，听那人说完，盛彤笙马上把颈上挂着的照相机拿了下来交给他，并领了一张卡片，然后一行五人登上了电梯。到了塔顶，那位留法同学说：“彤笙骗我们说不懂法语，其实他会。刚才我一开始都没明白那个人为什么不让咱们上电梯。”盛彤笙只好老老实实地说：“我其实只听懂了一个词‘camera’，这个词在英语、德语中都是一样的，是个只有百来年的新词，法语也不会差别到哪儿去。这个塔这么高，出于军事原因，一般是不会允许从塔上拍照的。我看见不远处有一个物品寄存处，所以就知道那个人的意思了。”
德国和奥地利都是音乐之乡，四年留学的耳濡目染，熏陶了他对音乐与文学的爱好，特别是对德国、奥地利的古典音乐的兴趣。他收藏了很多唱片，从西洋古典乐曲中得到精神享受，他与人谈话或工作时，喜欢放一点轻轻的音乐。到了老年，这些古典音乐更是他唯一的娱乐和享受，他甚至在晚年还能够大段地背诵歌德的作品。
从长沙雅礼中学开始的严格训练，到中央大学、上海医学院严师的教诲，再到留德期间名师的熏陶，盛彤笙以惊人的天赋和非同寻常的刻苦努力，终于成为“萃中西之长、通古今之变”的一代英才。他在基础文化、语言文字、专业知识、动手能力、创造性思维等方面均功力非凡。以27岁年纪，四年时间学习了两个专业，获得两个博士学位，在中国教育史上实不多见，即使是在可以凭借各种发达教育手段的今天，也绝非易事。在以严谨、刻板著称的德国，也属凤毛麟角。德国科学院以异乎寻常的举动，专门给他赠送了一只镶满钻石的怀表，以表彰他的优异学业。