1910年末，陈鹤琴将满19岁，以优异成绩从蕙兰学堂毕业。他希望继续读书，得到了做生意的小哥支持。
一
当时，有两所大学可以选择，一是教会办的上海浸礼会大学(即后来的沪江大学)，另一所就是当时在国内赫赫有名的圣约翰大学，也叫梵王渡大学。
当初送陈鹤琴到蕙兰读书的姐夫，此时又竭力鼓动他去投考圣约翰。次年2月，他如愿考入了圣约翰，开始了新的学业。
他刚进圣约翰时，因为岁数稍大，也是从一年级下学期插班开始的。校长看着眼前这个矮个子圆脸盘的学生，满脸诚恳神情，交上来的蕙兰成绩单各科都不错，因此就答应把他先插班在一年级下半学期试读两周，若读得好，可以升上去，若读不好，则将被退回中等科。
他只有硬着头皮，拼着命去死读书。他后来回忆说：“全校五六百个学生中每天起得最早的总是算我了。功课虽考不着第一，起早的头名没有人敢来抢的。”
他的第一道门槛是英文。圣约翰的课程除国文外，理化算学历史等都是用英语讲授，课本也采用英文教材。因为他是中途插班，大学一年级上半学期课程没学过，他感到有些吃力。经过一个阶段适应环境，他依然像在蕙兰读书时那样的坚韧、勤奋和刻苦，终于跟上了课程进度。一年的功课须半年学完，他读得实在辛苦。学期结束，各门功课，他每门都及格，唯有拉丁文一门只考了59分，下一学期需要补考。
宣统三年(1911年)6月，陈鹤琴的小哥，从报纸上看到了清华学堂在国内招考的消息。清华学堂是由用美国所退还的部分庚子赔款建立的留美预备学校，清廷为选拔留学人才，在全国各省招考。按规定，凡年龄在15岁至18岁者皆可报名投考。初试由各省提学使主持，复试由学部尚书主持。这是清廷所举办的第三批选拔留美学生的考试。
这时，陈鹤琴已超过了19岁，经不住小哥和蕙兰的几位老同学的怂恿，他把年龄少报了一岁，终于报上了名。浙江报考考生共23人，初试取前10名，他位居第九幸运通过；复试一千多人取160名，他位居82名留了下来；再试160人取100名，他位列42名。考试结束后，他被清华学堂录取成为第三批庚款留学生。
二
经过3年多的学习，陈鹤琴毕业了，将随同学一起赴美留学。
1914年8月15日，他和同学们在上海跳上“中国号”邮轮启程前往美国，他后来回忆：“这次赴美游学的共有百余人，其中有新考取的10个女生，清华优秀幼年生10人，1913、1914年毕业生70余人以及自费生数人。我们百余人，济济多士，把‘中国号’的头等舱位几乎占满了。”
航程中，大部分人都晕船，全船只有他和五六个人没有躺倒。本来上船前，他就考虑过自己未来的路：先到美国俄亥俄州的奥柏林大学读教育学，毕业后转到著名的哥伦比亚师范学院专攻教育。然而，看着邮轮随风浪颠簸摇摆，他开始怀疑自己的选择，悄然自问：“我为啥要读教育？教育不是一种很空泛的东西吗？读了教育，还不是坐‘冷板凳’，看别人的面孔讨生活吗？”他想学一门本事，比如学医。左思右想，三四天后，他把内心想法告诉了同船的校长。校长却笑笑回应说：“你要学医，我不反对。我打个电报给留美监督，请他替你接洽美国最著名的医科大学!”
又过了几天，他重新检讨了自己的志向，又追问自己：“医生是与病人为伍的，我是喜欢儿童，儿童也是喜欢我的。我还是学教育，回去教他们好了!”
他又站到校长面前，把自己的想法讲了一遍。校长听罢微笑着说：“电报已经打出，不能再改了。好在霍普金斯大学文理科也是非常著名的，你还是到那里去吧!”
9月7日，“中国号”缓缓驶进旧金山港口。9月13日，全体人员到达芝加哥，就地解散，分头前往各自的学校。他在船上结识的新友陶行知，去了离芝加哥140英里的双子城伊利诺伊大学攻读市政学；他与几位同学继续前行，第二天半夜，火车到了匹兹堡，他们下车后分手。
他独自一人，换车去巴尔的摩。9月15日清晨，到达巴尔的摩火车站。他刚到出站口就看到一个中国人等在那里，就大声问对方：“你是不是来接我的?”那人有些狐疑地问道：“你不是到巴尔的摩来念书的?”他连连回答：“是的!是的!”最终他在当地的青年会住下了。
10月15日霍普金斯大学正式开学。此前三天，陈鹤琴把自己在清华学校所读的功课和成绩送给教务处审查，结果只有一部分功课和成绩被承认。学校按照他过去的成绩，把他安排进了大学二年级。
在霍普金斯读书，首先要遵从校训：“真理使你自由!”这里的真理就是知识、科学！求学就是为了学习知识和科学，是为了寻求真理。为此，陈鹤琴给自己订下了一条求学原则：“凡百事物都要知道一些，有一些事物，都要彻底知道。”
进入霍普金斯伊始，他就对所接触到的一切都感到非常新奇和无穷乐趣。他的英文基础很好，经过学习，又在德文、法文上下了工夫，长进不小。在学习期间，他深刻认识到：“一个游学生到国外游学，最重要的不是许许多多死知识，乃是研究的方法和研究的精神。世界上所要知道的知识，实在太多了!怎样可以在短短的五六年的时间都学到呢?若要得到研究的方法和研究的精神，你就可以回国后自己去研究学术，去获得知识，去探求真理。方法是秘诀，方法是钥匙，得到了秘诀，得到了钥匙，你就可以任意去开知识的宝藏了。”
这一时期，他感觉自己求知欲望非常高涨，什么东西都想研究，都想学习。1917年夏天，他在霍普金斯大学本部毕业，获得文学学士学位，随即转到位于纽约的哥伦比亚大学师范学院专修教育。
这年冬天，他参加了由孟禄博士组织的一个30多人的考察团，考察美国南部黑人教育，考察费用由孟禄博士出面募捐。这次南方之旅的所见所闻，对他日后成为教育家的心路轨迹和人生旅程产生了重要影响。
考察的第一站是美国南部弗吉尼亚州的汉普顿学院，这是一所专门为教育黑人子弟而办的学校，这所学院里，没有种族歧视，白人、黑人、黄种人学生和睦相处，家境贫穷的学生可以通过勤工俭学所得报酬来交学费、膳食等费用。第二天，考察团离开汉普顿学院前往塔斯基吉学院，这是一所由黑人创办的学院，学院里的教师都是黑人。在校园里，他还看见许多学生正在建一座小楼。校长对他们说，学校的全部校舍都是由学生自己建筑的。学生们既会用脑也会用手。“做中学”，是孟禄博士组织他们到这里实地考察教育的目标之一。
从塔斯基吉学院出来，他们又参观了几所乡村小学。这些乡村小学可说是“夫妇学校”，每周上五天课，星期日，学校变做教堂，而教师们则成为讲道的牧师。
考察中，令他振奋和感动的是塔斯基吉学院的创办人布克·华盛顿(Booker T.Washington)。布克曾写过一本自传，书名为《黑奴成功传》，讲述自己的成功。他读了这本书后，深受感动：“一个到了19岁开始读书的黑奴，能够努力奋斗，教导群众，为社会谋幸福，为民族增光荣！我们自命为优秀分子，曾受过高等教育，应如何奋发惕励，为国努力呢!”
1918年夏天，陈鹤琴读满了学校规定的30学分，被授予教育社会学硕士学位及教育学教师的文凭。他后来回忆说：“在哥伦比亚大学，心理学家桑代克教授对我们说过他的一个研究。他在水缸中做了简单的迷津，用玻璃作隔板，在迷津的另一边放了食饵，把鱼放在迷津中，鱼看见食饵，就想去吃它，但不会运用方法来达到目的，却只是把头向玻璃上乱碰，结果总吃不到食饵。这是因为鱼的智力薄弱，反应简单，假使智力较高的话，就不会这样了。在一种反应达不到目的时，它就会采取另外的途径，以求达到目的。从那以后，凡是一个问题发生，我总是多方去解决，这个方法不能解决，便运用另外的方法，直到解决了问题为止。”
桑代克这位大心理学家的理论和心理学知识，对他数年后从研究儿童心理入手开始儿童教育研究与实践，产生了直接影响。
他找到心理学主任伍特沃思教授，要求转入心理系。经审查成绩，他的要求获得同意，伍特沃思教授成为了他的导师，亲自为他定了博士论文题目“各民族智力之比较”，他用了几个月的时间选择智力测验的材料，准备来年到檀香山去做深入考察、研究。然而因为他官费留学的期限只到1919年前半学期，所以在1919年6月，他也只得呈请公使馆发护照和路费准备回国。