1910年末，陳鶴琴將滿19歲，以優異成績從蕙蘭學堂畢業。他希望繼續讀書，得到了做生意的小哥支持。
一
當時，有兩所大學可以選擇，一是教會辦的上海浸禮會大學(即後來的滬江大學)，另一所就是當時在國內赫赫有名的聖約翰大學，也叫梵王渡大學。
當初送陳鶴琴到蕙蘭讀書的姐夫，此時又竭力鼓動他去投考聖約翰。次年2月，他如願考入了聖約翰，開始了新的學業。
他剛進聖約翰時，因為歲數稍大，也是從一年級下學期插班開始的。校長看著眼前這個矮個子圓臉盤的學生，滿臉誠懇神情，交上來的蕙蘭成績單各科都不錯，因此就答應把他先插班在一年級下半學期試讀兩周，若讀得好，可以升上去，若讀不好，則將被退回中等科。
他隻有硬著頭皮，拚著命去死讀書。他後來回憶說：“全校五六百個學生中每天起得最早的總是算我了。功課雖考不著第一，起早的頭名沒有人敢來搶的。”
他的第一道門檻是英文。聖約翰的課程除國文外，理化算學曆史等都是用英語講授，課本也采用英文教材。因為他是中途插班，大學一年級上半學期課程沒學過，他感到有些吃力。經過一個階段適應環境，他依然像在蕙蘭讀書時那樣的堅韌、勤奮和刻苦，終於跟上了課程進度。一年的功課須半年學完，他讀得實在辛苦。學期結束，各門功課，他每門都及格，唯有拉丁文一門隻考了59分，下一學期需要補考。
宣統三年(1911年)6月，陳鶴琴的小哥，從報紙上看到了清華學堂在國內招考的消息。清華學堂是由用美國所退還的部分庚子賠款建立的留美預備學校，清廷為選拔留學人才，在全國各省招考。按規定，凡年齡在15歲至18歲者皆可報名投考。初試由各省提學使主持，複試由學部尚書主持。這是清廷所舉辦的第三批選拔留美學生的考試。
這時，陳鶴琴已超過了19歲，經不住小哥和蕙蘭的幾位老同學的慫恿，他把年齡少報了一歲，終於報上了名。浙江報考考生共23人，初試取前10名，他位居第九幸運通過；複試一千多人取160名，他位居82名留了下來；再試160人取100名，他位列42名。考試結束後，他被清華學堂錄取成為第三批庚款留學生。
二
經過3年多的學習，陳鶴琴畢業了，將隨同學一起赴美留學。
1914年8月15日，他和同學們在上海跳上“中國號”郵輪啟程前往美國，他後來回憶：“這次赴美遊學的共有百餘人，其中有新考取的10個女生，清華優秀幼年生10人，1913、1914年畢業生70餘人以及自費生數人。我們百餘人，濟濟多士，把‘中國號’的頭等艙位幾乎占滿了。”
航程中，大部分人都暈船，全船隻有他和五六個人沒有躺倒。本來上船前，他就考慮過自己未來的路：先到美國俄亥俄州的奧柏林大學讀教育學，畢業後轉到著名的哥倫比亞師範學院專攻教育。然而，看著郵輪隨風浪顛簸搖擺，他開始懷疑自己的選擇，悄然自問：“我為啥要讀教育？教育不是一種很空泛的東西嗎？讀了教育，還不是坐‘冷板凳’，看別人的麵孔討生活嗎？”他想學一門本事，比如學醫。左思右想，三四天後，他把內心想法告訴了同船的校長。校長卻笑笑回應說：“你要學醫，我不反對。我打個電報給留美監督，請他替你接洽美國最著名的醫科大學!”
又過了幾天，他重新檢討了自己的誌向，又追問自己：“醫生是與病人為伍的，我是喜歡兒童，兒童也是喜歡我的。我還是學教育，回去教他們好了!”
他又站到校長麵前，把自己的想法講了一遍。校長聽罷微笑著說：“電報已經打出，不能再改了。好在霍普金斯大學文理科也是非常著名的，你還是到那裏去吧!”
9月7日，“中國號”緩緩駛進舊金山港口。9月13日，全體人員到達芝加哥，就地解散，分頭前往各自的學校。他在船上結識的新友陶行知，去了離芝加哥140英裏的雙子城伊利諾伊大學攻讀市政學；他與幾位同學繼續前行，第二天半夜，火車到了匹茲堡，他們下車後分手。
他獨自一人，換車去巴爾的摩。9月15日清晨，到達巴爾的摩火車站。他剛到出站口就看到一個中國人等在那裏，就大聲問對方：“你是不是來接我的?”那人有些狐疑地問道：“你不是到巴爾的摩來念書的?”他連連回答：“是的!是的!”最終他在當地的青年會住下了。
10月15日霍普金斯大學正式開學。此前三天，陳鶴琴把自己在清華學校所讀的功課和成績送給教務處審查，結果隻有一部分功課和成績被承認。學校按照他過去的成績，把他安排進了大學二年級。
在霍普金斯讀書，首先要遵從校訓：“真理使你自由!”這裏的真理就是知識、科學！求學就是為了學習知識和科學，是為了尋求真理。為此，陳鶴琴給自己訂下了一條求學原則：“凡百事物都要知道一些，有一些事物，都要徹底知道。”
進入霍普金斯伊始，他就對所接觸到的一切都感到非常新奇和無窮樂趣。他的英文基礎很好，經過學習，又在德文、法文上下了工夫，長進不小。在學習期間，他深刻認識到：“一個遊學生到國外遊學，最重要的不是許許多多死知識，乃是研究的方法和研究的精神。世界上所要知道的知識，實在太多了!怎樣可以在短短的五六年的時間都學到呢?若要得到研究的方法和研究的精神，你就可以回國後自己去研究學術，去獲得知識，去探求真理。方法是秘訣，方法是鑰匙，得到了秘訣，得到了鑰匙，你就可以任意去開知識的寶藏了。”
這一時期，他感覺自己求知欲望非常高漲，什麽東西都想研究，都想學習。1917年夏天，他在霍普金斯大學本部畢業，獲得文學學士學位，隨即轉到位於紐約的哥倫比亞大學師範學院專修教育。
這年冬天，他參加了由孟祿博士組織的一個30多人的考察團，考察美國南部黑人教育，考察費用由孟祿博士出麵募捐。這次南方之旅的所見所聞，對他日後成為教育家的心路軌跡和人生旅程產生了重要影響。
考察的第一站是美國南部弗吉尼亞州的漢普頓學院，這是一所專門為教育黑人子弟而辦的學校，這所學院裏，沒有種族歧視，白人、黑人、黃種人學生和睦相處，家境貧窮的學生可以通過勤工儉學所得報酬來交學費、膳食等費用。第二天，考察團離開漢普頓學院前往塔斯基吉學院，這是一所由黑人創辦的學院，學院裏的教師都是黑人。在校園裏，他還看見許多學生正在建一座小樓。校長對他們說，學校的全部校舍都是由學生自己建築的。學生們既會用腦也會用手。“做中學”，是孟祿博士組織他們到這裏實地考察教育的目標之一。
從塔斯基吉學院出來，他們又參觀了幾所鄉村小學。這些鄉村小學可說是“夫婦學校”，每周上五天課，星期日，學校變做教堂，而教師們則成為講道的牧師。
考察中，令他振奮和感動的是塔斯基吉學院的創辦人布克·華盛頓(Booker T.Washington)。布克曾寫過一本自傳，書名為《黑奴成功傳》，講述自己的成功。他讀了這本書後，深受感動：“一個到了19歲開始讀書的黑奴，能夠努力奮鬥，教導群眾，為社會謀幸福，為民族增光榮！我們自命為優秀分子，曾受過高等教育，應如何奮發惕勵，為國努力呢!”
1918年夏天，陳鶴琴讀滿了學校規定的30學分，被授予教育社會學碩士學位及教育學教師的文憑。他後來回憶說：“在哥倫比亞大學，心理學家桑代克教授對我們說過他的一個研究。他在水缸中做了簡單的迷津，用玻璃作隔板，在迷津的另一邊放了食餌，把魚放在迷津中，魚看見食餌，就想去吃它，但不會運用方法來達到目的，卻隻是把頭向玻璃上亂碰，結果總吃不到食餌。這是因為魚的智力薄弱，反應簡單，假使智力較高的話，就不會這樣了。在一種反應達不到目的時，它就會采取另外的途徑，以求達到目的。從那以後，凡是一個問題發生，我總是多方去解決，這個方法不能解決，便運用另外的方法，直到解決了問題為止。”
桑代克這位大心理學家的理論和心理學知識，對他數年後從研究兒童心理入手開始兒童教育研究與實踐，產生了直接影響。
他找到心理學主任伍特沃思教授，要求轉入心理係。經審查成績，他的要求獲得同意，伍特沃思教授成為了他的導師，親自為他定了博士論文題目“各民族智力之比較”，他用了幾個月的時間選擇智力測驗的材料，準備來年到檀香山去做深入考察、研究。然而因為他官費留學的期限隻到1919年前半學期，所以在1919年6月，他也隻得呈請公使館發護照和路費準備回國。