Năm 1924 Oppenheimer nhận tin được nhận vào Christ's College thuộc Đại học Cambridge. Ông viết thư cho Ernest Rutherford xin phép được làm việc tại Phòng thí nghiệm Cavendish. Bridgman viết thư giới thiệu, trong đó nói rằng tính vụng về của Oppenheimer trong phòng thí nghiệm khiến cho mọi người thấy rằng thế mạnh của ông không phải thực nghiệm mà là vật lý lý thuyết. Rutherford không lấy làm ấn tượng lắm, nhưng Oppenheimer vẫn tới Cambridge, hy vọng rằng sẽ nhận được một vị trí khác. Cuối cùng J. J. Thomson nhận ông với điều kiện ông phải hoàn thành khóa đào tạo thực nghiệm cơ bản. Ông xung khắc với người đào tạo phụ trách ông, Patrick Blackett, người chỉ hơn ông vài tuổi. Khi trong kỳ nghỉ, như bạn ông Francis Fergusson có nhắc lại, Oppenheimer từng thú nhận rằng ông từng để một quả táo có tẩm hóa chất độc hại trên bàn Blackett. Trong khi tường thuật của Ferguson là phiên bản duy nhất chi tiết về sự kiện này, cha mẹ của Oppenheimer được giới chức trường đại học cảnh báo rằng họ đang đặt ông vào thời gian thử thách (chưa kỷ luật nhưng còn theo dõi), cha mẹ ông đã vận động thành công cho ông ở lại.Là một người cao, gầy, nghiện thuốc lá nặng, thường bỏ ăn trong những thời kỳ tập trung suy nghĩ căng thẳng, Oppenheimer thường khiến bạn bè chú ý lo lắng vì khuynh hướng tự hủy hoại bản thân. Một sự kiện gây xáo động xảy ra khi ông có một kỳ nghỉ ở Paris để thăm bạn ông Francis Fergusson. Fergusson nhận thấy Oppenheimer không khỏe và để giúp ông vơi bớt ưu phiền bèn kể cho Oppenheimer rằng mình sắp kết hôn với bạn gái Frances Keeley. Oppenheimer không đón nhận tin đó một cách bình thường. Ông chồm lên Fergusson và định bóp cổ ông này. Mặc dù Fergusson dễ dàng đẩy người bạn ra, câu chuyện này khiến ông nghĩ rằng Oppenheimer thực sự có những vấn đề nghiêm trọng về tâm lý. Suốt cả đời liên tục gặp những đợt trầm uất, Oppenheimer từng nói với em mình, "Anh cần vật lý hơn bạn bè".Năm 1926 ông rời Cambridge đến Đại học Göttingen để nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của Max Born. Göttingen là một trong những trung tâm hàng đầu về vật lý lý thuyết bấy giờ của thế giới. Oppenheimer kết bạn với những người thành công rực rỡ sau này, bao gồm Werner Heisenberg, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Enrico Fermi và Edward Teller. Người ta còn nhắc lại rằng ông có vẻ quá hăng hái trong các buổi thảo luận, đôi khi đến độ chiếm luôn các buổi seminar. Điều này làm cho một số học trò khác của Born khó chịu đến nỗi Maria Goeppert đưa cho Born một thư thỉnh cầu có chữ ký của bà cùng những người khác đe dọa tẩy chay lớp học trừ khi ông làm Oppenheimer im tiếng. Born cố ý đặt lá thư trên bàn của mình để Oppenheimer có thể đọc được, và nó tỏ ra hiệu quả mà ông không cần nói một lời nào.Oppenheimer nhận bằng tiến sĩ tháng 3 năm 1927 ở tuổi 23 dưới sự hướng dẫn của Born. Sau phần vấn đáp, James Franck, giáo sư chủ trì hội đồng bảo vệ, được cho là đã nói rằng, "Tôi lấy làm may là [buổi bảo vệ] đã xong rồi. Anh ta đang đặt lại câu hỏi với tôi". Oppenheimer công bố hơn một tá bài báo ở Göttingen, bao gồm nhiều công hiến quan trọng cho lĩnh vực cơ học lượng tử đang hình thành. Ông và Max Born công bố bài báo nổi tiếng về xấp xỉ Born–Oppenheimer, tách chuyển động hạt nhân khỏi chuyển động electron khi xem xét phân tử bằng toán học, cho phép loại trừ chuyển động hạt nhân để giảm việc tính toán. Đó vẫn là công trình được trích dẫn nhiều nhất của ông.