学院毕业后，到木原均的实验室里学习细胞遗传学。在这期间，木村在朋友的影响下学习了统计物理里的扩散理论，并潜心研读休厄尔·赖特（Sewall Wright）的着作。他深受赖特着作的影响，并立志成为像赖特一样的学者。1949年，木原均推荐木村到新建立的位于三岛市的日本国立遗传学研究所工作。1953年夏天，木村取得富布赖奖学金去美国留学，他先到艾奥瓦州立学院（也就是后来发展为艾奥瓦大学），之后在克罗（James F. Crow）的支持下转到威斯康星大学学习群体遗传学。此时，刚从芝加哥大学退休的也来到威斯康星大