周培源出国留学1924年秋天，因成绩优秀，被清华学校派送去美国芝加哥大学数理系继续完成大学课程 

1926年春、夏两季分别获学士和硕士学位

 1927年，周培源入美国加利福尼亚理工学院继续攻读研究生

他先从师贝德曼，后改从数学家埃里克·坦普尔·贝尔（Eric Temple Bell），做相对论方面的研究，并参加数学谱系计划（Mathematics Genealogy Project），次年获理学博士学位，毕业论文题目为《The Gravitational Field of a Body with Rotational Symmetry in Einstein's Theory of Gravitation》 ，并获得最高荣誉奖（Summa cum laude）

 1928年秋，他赴德国莱比锡大学，在沃纳·海森堡（Werner Karl Heisenberg，1932年获得诺贝尔物理奖）教授领导下从事量子力学的研究

 1929年，赴瑞士苏黎世高等工业学校，在沃尔夫冈·泡利（Wolfgang E.Pauli，1945年获得诺贝尔物理学奖）教授领导下从事量子力学研究

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