同年夏，杨振宁考入联大（清华）的研究生院，投到王竹溪教授门下，主攻统计物理。王竹溪，1933年毕业于清华大学物理系，随后考上周培源教授的研究生。周培源曾说：王竹溪是其最早的一位具有杰出才华的研究生。1935年，王竹溪考取清华公费留学生。他带着满腔抱负和振兴中华的伟大志向，登上了开往英吉利海峡的轮船。1938年，王竹溪在英国剑桥大学取得物理博士学位后，回到战火中的祖国。从此，他将自己的一生都奉献给了祖国的科学、教育事业，为我国培养了一大批理论物理工作者。王竹溪不但精于统计物理，对热力学、电动力学、量子力学、理论力学也都颇有研究。凡是受业于王竹溪教授的学生，无不对他那一本本整洁、明晰、严谨的笔记记忆深刻。因为他们大多借阅过王教授的笔记，从中受益匪浅。王竹溪的有关统计物理、热力学、特殊函数等著作，大多是从笔记整理而来。王竹溪教授作为杨振宁的硕士导师，他传授给杨振宁的不仅是渊博的理论物理学识，他那严谨的治学作风，对后学者循循善诱的师长风范，踏实真诚的人生态度，无不对杨振宁起到潜移默化的影响。杨振宁后来虽长期居于海外，但从未忘记这位恩师。1983年春，当王竹溪因病去世的噩耗传来，正在香港讲学的杨振宁怀着万分悲痛的心情，当即给师母发来唁电，并专程从香港赴京到老师灵前表示深切哀悼。他说，先生毕生以授业为乐，桃李满天下。先生一生为人耿直，严谨治学，勤于思，力于行，堪称师者典范。
1944年夏，杨振宁考取清华大学留美学生资格，获得奖学金。此后，在等待赴美的时间内，已取得理学硕士学位的杨振宁留在联大附中教代数。1945年秋，杨振宁拿到去美国留学的护照，告别亲友，怀揣着中国男儿自强不息的梦想，踏上赴美之旅。留学生们先是在昆明坐开往印度加尔各答的飞机，然后在加尔各答等候船只。轮船将经红海、苏伊士运河、地中海，最后抵美国纽约，在加尔各答逗留两月之久，杨振宁等一行人才搭上一艘运送美国大兵回国的轮船。该船上面舱位都被美国兵占据，杨振宁他们坐在空间狭窄的底舱里。每日每夜，耳边充斥着美国兵的酗酒声、嬉笑声以及轮船马达的轰鸣声，令人心绪烦躁不已。加上初次经历海上生活，许多人都呕吐不止，杨振宁也不例外。只要有机会，他就和同学们跑到甲板上呼吸新鲜空气。望着无垠的太平洋面，望着上下翻飞的雪白海鸥，杨振宁的心里充溢着对父母亲友的思念和对国家民族命运的担忧。离祖国大陆虽然越来越远，游子的心里却时刻深感肩上的重任。民族的振兴，与科学的发展息息相关。杨振宁立志献身物理事业，希望学有所成，报效祖国。他的二弟杨振平在《父亲与大哥》一文中回忆道：大哥喜欢唱歌，不但走在校园里的路上唱，做功课时也会不知不觉地大声哼唱。杨振宁自己直到老年，也仍清楚地记得父亲教他的一支“五四”时期的歌，歌词是：“中国男儿，中国男儿，要将双手撑天空。长江大河，亚洲之东，峨嵋昆仑。古今多少奇丈夫，碎首黄尘，燕然勒功，至今热心犹殷红。”
1946年初，杨振宁进入芝加哥大学攻读博士学位。对于杨振宁来说，这也是他学术生涯的开始。第二次世界大战后，芝加哥大学是美国一个最著名的物理研究中心，为杨振宁提供了极为优越的实验条件。杨振宁的成绩有目共睹。当时，芝加哥大学最有名望的是费米教授。据说，当费米不在的时候，同学们有了问题，大都去找杨振宁答疑解惑。早在大学期间，杨振宁就细致地读过世界上许多著名物理学家的著述以及他们的传记。他最钦佩的科学家有三位：一位是创立相对论的爱因斯坦，一位是量子力学的创始人之一狄拉克，还有一位就是1942年在芝加哥大学主持建造世界上第一座原子反应堆的费米。他们虽然具有不同国籍和不同研究风格，但他们身上有一个共同闪光点——执着的科学创新精神和实事求是的治学风范，这些都深深地感染着杨振宁。当时，爱因斯坦已年迈，狄拉克在英国。远涉重洋来到美国的杨振宁，便决心找到费米，跟这位20世纪杰出的物理学家学习物理。费米原是意大利皇家科学院的院士，堪称意大利物理学界泰斗。他创建有费米统计学，后从事量子电动力学研究。1938年，费米发现中子而获得该年的诺贝尔物理奖。正因为此，杨振宁放弃进入普林斯顿大学的打算，而是来到费米所在的哥伦比亚大学。然而，结果颇令人失望。因为费米根本不在该校，而是奉命从事战时秘密工作。当时，他正在墨西哥一个无人的峡谷试验原子弹。杨振宁只好又回到普林斯顿大学。恰在此时，杨振宁遇到了正在普林斯顿大学当客座教授的张文裕教授。异国相逢，师生备感亲切。张文裕教授听了杨振宁万里寻师的经历，他答应尽力帮弟子打听有关费米的消息。当杨振宁得知费米已经决定战后到芝加哥大学任教，便辞别张文裕教授，前往芝加哥大学。这一次，他终于见到了仰慕已久的费米。从言谈和学习中，费米也对这位英俊、好学、谦和、富有刻苦钻研精神的中国学生青睐有加。在芝加哥大学环境优美的校园小道上，常常可见杨振宁和费米一起散步的身影。他们时而探讨物理学上的某个问题，时而各自绘声绘色地向对方描述祖国的风土民俗、人文地貌……杨振宁的才华同样赢得了大学里另一位名教授的赏识，那就是泰勒。泰勒在美国号称“氢弹之父”，氢弹就是在他的主持下研制出来的。在泰勒的建议下，杨振宁以一篇《核反应与关联测量中的角分布》论文，通过严格的答辩，获得了博士学位。
杨振宁跟随费米研究学习，费米那举一反三、触类旁通的敏捷思路，待人真诚热情的态度和一丝不苟的教学作风，以及他那善于透过事物现象捕捉事物本质的研究风格，无不潜移默化地影响着杨振宁。1949年，在费米的指导下，杨振宁与其合写了一篇论文，题目是：《介子是基本粒子吗？》。如果将物理学比喻成一列奔驰的火车，那么实验与理论，则是它运行的两根轨道。但就个人研究来说，随着科学的发展，实验和理论早已逐渐分化，很难二者兼顾。像费米这样既是一位杰出的实验科学家，同时亦是一位卓越的理论科学家的人，当时已不多见。是专于实验还是主攻理论，在芝加哥攻读博士研究生的杨振宁也遇到了这个问题。一开始，他打算写一篇实验论文，并请费米当自己的指导老师。由于费米当时还在位于芝加哥郊区的阿贡国家实验室领导从事秘密研究工作，按政府法令，像杨振宁这样的外国人是不能进入阿贡国家实验室的。为此，费米推荐杨振宁进入艾里逊教授实验室工作。艾里逊是芝加哥大学物理系的一名教授，当时正准备建造一台40万伏特的电子加速器，这在当时是最先进的。从此，杨振宁成为艾里逊的6名研究生之一。在实验室工作的近20个月中，杨振宁做的实验工作并不成功，曾流传这样一句笑话：哪里有爆炸声（出事故），哪里就有杨振宁。泰勒博士一直关心杨振宁的实验。有一次，他关切地询问杨振宁：“你做的实验是不是不大成功？”“是的。”面对令人尊敬的前辈，杨振宁实话实说。“我认为你不必坚持一定要写一篇实验论文，你已经写了一篇理论论文，我建议你把它充实一下作为博士论文，本人可以做你的导师。”杨振宁虚心接受了泰勒的建议，放弃写实验论文的打算。作出这个决定之后，他如释重负，毅然把主攻方向转入理论物理研究，从此，他踏上了成为物理学界一代杰出理论大师之路。
在普林斯顿大学攻读学习时，杨振宁在一家中国餐馆与端庄秀丽、仪态万方的杜致礼女士相逢。四目相对，杨振宁惊讶于杜致礼已由昔日的小女生长成了美貌动人的大姑娘；杜致礼羞涩地看到曾经腼腆的杨先生竟是如此的风度翩翩，谈吐不凡。原来，杨振宁当年在联大附中教书时，杜致礼便是他班上的一名学生。他乡遇故知，二人都欣喜不已。看到杜致礼孤身一人，杨振宁关切地问起杜致礼的情况。杜致礼那双清澈的大眼睛，突然间被忧郁笼罩。杜致礼的父亲便是原国民党高级将领——杜聿明将军。杜聿明，字光亭，陕西省米脂县人。中学毕业后，杜聿明怀揣着父亲拿出的家中全部积蓄一百元钱，只身南下，考入黄埔军校，成为第一期学员。毕业后开始其跌宕起伏的军旅生涯。北伐战争和抗日战争中，杜聿明战功卓著，一路升迁。1942年，他作为中国远征军第一军司令，昆仑关一役，尽歼日军中村正雄旅团，使其威名远播。而在随后的解放战争中，杜聿明却积极活跃在蒋介石发动的内战战场。1947年，杜聿明因患有严重的肺结核，准备由女儿杜致礼陪同前往美国就医。护照和机票都办好了，后因蒋介石的干预没有成行。时年18岁的杜致礼只好含泪告别父母，只身前往美国求学。随后，蒋介石命杜聿明奔赴东北战场。淮海一役，杜聿明被俘，作为甲级战犯被关押于北京功德林监狱。而其母亲、夫人曹秀清及其子女却被蒋介石裹挟到了台湾。新中国成立后，杜聿明积极改过自新，重新做人。特赦后，在周恩来总理的关怀下，杜聿明担任了政协文史资料委员会专员。1963年6月，曹秀清女士与女儿女婿分别，离开美国回到中国，与丈夫定居北京。1950年，杨振宁与杜致礼这对有情人结为伉俪，相扶相携人生路。婚后，他们育有两子一女。杜致礼便一心承当起教育孩子和操持家务的责任，以便让丈夫安心科学研究。她本身是学英国文学的，对音乐、雕刻等艺术亦颇有研究。她对艺术的痴迷，也影响着杨振宁和孩子们。三个孩子所学专业分别是电脑、化学和医学，但只要有闲暇，五口人便一起欣赏交响乐、中国民乐，或是进博物馆看雕刻展览，使得他们的日常生活充满愉悦和情趣。