大桢早年入高等小学、磁业学堂，后入陆军小学。1909年（宣统元年）秋，加入中国同盟会。1911年（宣统3年）9月，入武汉陆军学校。10月，武昌起义爆发，王大桢参加黄兴手下的革命军，进行作战。1912年（民国元年）2月，赴南京，入军需学校学习。此后，他回到湖南，投湘军程潜手下。1916年（民国5年），王大桢赴日本留学，入陆军经理学校高等科。1918年（民国7年）西伯利亚出兵之际，王大桢随日军赴西伯利亚及外蒙古实地考察。翌年，入东京帝国大学经济学部学习。1921年（民国10年）前往美国任华盛顿会议中国代表团