En 1889, Marie Rennotte participe à l'Exposition universelle de Paris (celle qui verra l'inauguration de la Tour Eiffel) et, après un bref retour au Brésil, elle repart en juin pour les États-Unis. Elle s'inscrit au "Woman's Medical College of Pennsylvania" à Philadelphie pour y étudier la médecine, ayant décroché une bourse octroyée par Prudente Morais Barros alors gouverneur de l'État de São Paulo. En décembre de la même année, un changement juridique permet d'accorder la citoyenneté à tous les étrangers résidant de façon permanente au Brésil. Elle obtient son diplôme en 1892, devenant ainsi la première femme de São Paulo à obtenir un diplôme de médecine. Entre 1893 et 1895, Marie Rennotte étudie à l'hôtel-Dieu de Paris où elle complète sa formation et sa spécialisation en gynécologie et obstétrique et par des études en néonatalogie, en dermatologie et également les maladies sexuellement transmissibles.