1940年，叶笃正自西南联合大学毕业，获国立清华大学理学学士学位。1941年至1943年，叶笃正就读浙江大学史地研究所研究生，1943年毕业获得理学硕士学位。
留学美国.1945年，赴美国芝加哥大学留学，导师为大气物理学家罗斯贝。很快，叶笃正成了以罗斯贝为代表的“芝加哥学派”的主要成员之一。1948年11月，获美国芝加哥大学哲学博士学位，博士论文《关于大气能量频散传播》被誉为动力气象学的代表作之一。1946年至1950年，他在芝加哥大学进行研究工作（Research Meteo