明治11年（1878年）9月、前年に東京開成学校が改編され、新たに発足したばかりの東京大学理学部本科（のち帝国大学理科大学）に入学した。在学中は主任教授となった山川から引き続き物理学を学び、菊池大麓からは数学を学んだ。また、ユーイングからは数学、天文学、物理学、物理学実験、地磁気の観測を、メンデンホールからは力学、熱力学を学んだ。これらの恩師との出会いは愛橘に多大な影響を与えた。明治12年（1879年）にメンデンホールとユーイングによってエジソンのフォノグラフが日本に紹介された際には、その試作を行い音響や振動の解析を試みている。明治13年（1880年）にはメンデンホールによる東京と富士山で実施された重力測定に従事した。翌明治14年（1881年）の夏から明治15年（1882年）にかけて札幌、鹿児島、沖縄、小笠原諸島へ出向いて地磁気を観測した。明治15年7月に東京大学理学部を第1期生として卒業、東京大学準助教授に就任する。同年9月に長岡半太郎が東京大学へ入学する。長岡は愛橘が使用していた寄宿舎に同室し、生活を共にした。明治16年（1883年）にユーイングが帰国した後は、後任のノットからも地磁気の指導を受けた。愛橘はこの年にクモの糸を用いた電磁方位計（エレクトロマグネチック方位計）を考案している。この方位計は従来の観測機器よりも時間をかけずに計測することが出来た。また、その論文は日本の学会報告書やロンドン王立協会誌においても掲載され、当時の世界で最も精度の高い方位計であると称えられたという。同年12月、福岡に帰っていた父・稲蔵の割腹自殺の報を受けて帰郷、同27日に東京大学助教授に就任する。明治20年（1887年）の6月から10月にかけてノットの提案で全国地磁気測定が実施され、愛橘は日本の南半及び朝鮮半島南部の31箇所で観測を行った。明治21年（1888年）1月、文部省より電気学及び磁気学修養として、イギリスのグラスゴー大学への留学を命ぜられる。グラスゴー大学ではユーイングの旧師であったケルビン卿に師事した。ケルビンから多大な影響を受けた愛橘は生涯に亘ってケルビンを尊敬した。明治23年（1890年）3月頃にヘルムホルツが教鞭を執っていたベルリン大学へ転学、ここでは1年間に亘り電気学などを学んだ。明治24年（1891年）7月にアメリカ経由で帰国、7月22日付けで東京帝国大学理科大学教授に就任し、翌月に理学博士の学位が授与された。
ファルケンハインが発動した西部戦線のヴェルダンの戦いは思わしくなく、また彼が東部から兵力を引き抜いた後に東部戦線でロシア軍の攻勢があったことで彼の面目は潰れた。1916年8月27日のルーマニア参戦を契機にファルケンハインは更迭されることとなった。8月28日にヒンデンブルクが後任の参謀総長(Chef des Generalstaffs des Feldheeres)、ルーデンドルフが参謀次長（彼はこの役職の名称を「第一兵站総監」（Erster Oberquartiermeister）に改めることを提案して許可された）に任じられた。この人事はモルトケの推挙によるものだったという。これまで同様にヒンデンブルクはお飾りでルーデンドルフが実質的に役割を果たした。これ以降のドイツの戦争は実質的にルーデンドルフによって指導され、彼は政治にも干渉して「ルーデンドルフ独裁」と呼ばれる時代を築いた。しかし各戦線ともすでに防衛のみの姿勢に転じざるを得なくなっていた。ヒンデンブルクとルーデンドルフはこれまでの東部戦線大攻勢論を撤回して西部戦線に力を入れた。連合軍の攻勢に先んじて戦線を後退させ、強固な塹壕陣地帯「ジークフリート線(de:Siegfriedstellung)」（連合国は「ヒンデンブルク線」と呼んだ）を構築して防御を固めた。1917年4月にイギリス軍はアラス会戦(de)で攻勢を強め、5月から6月のメッシーネの戦い(de)でドイツ軍の突出部を攻略。さらに7月末から11月にかけてパッシェンデールの戦い、11月から12月にかけて戦車軍団を動員したカンブレーの戦いで攻勢をかけたが、ドイツ軍は頑強に抵抗してイギリス軍の侵攻を防いだ。一方フランス軍は1917年4月にエーヌ会戦(de)で攻勢をかけたが、ドイツ軍が勝利した。フランスで厭戦気分が高まり、4月29日に68個師団で反乱が勃発した。首相ジョルジュ・クレマンソーが何とか抑え込み、ドイツとの戦争を継続した。海戦では1917年2月に無制限潜水艦作戦を決定した。これはイギリスを追い込むことを目的としていたが、1917年4月のアメリカ合衆国の参戦を招いた。しかし当時のアメリカには本格的な陸軍はなく、陸軍の組織から開始する状態だったのでアメリカの実際的な参戦は1年先だった。一方、ロシア革命により帝政が崩壊したロシアに対しては和平交渉を行った。ロシア臨時政府首相アレクサンドル・ケレンスキーは連合国の求めに応じてドイツとの戦争を続行したが、ケレンスキー政府は1917年10月のボルシェヴィキによるロシア革命により崩壊した。ウラジーミル・レーニンのボルシェヴィキ政府が立ち上げられた。ドイツはレーニン政府にウクライナやバルト三国の分離独立を求めた。レーニンは初め拒絶したが、ロシアの軍事力は革命の混乱で崩壊状態であり、1918年2月にドイツ軍がロシア軍へ攻撃を開始したことで要求を飲むしかなくなった。1918年3月3日にブレスト＝リトフスク条約が締結され、ドイツはロシアを下した。3月5日にはロシアの後援を失ったルーマニアも降伏。東部戦線は終結した。ロシア脱落を受けてドイツ軍はアメリカが本格参戦してくる前に西部戦線に最後の攻勢をかけることにした。ドイツ軍は1918年3月から7月にかけて東部の兵力をすべて西側に回して最後の大攻勢「カイザーシュラハト（皇帝の戦い）」作戦を行った。しかしドイツ軍の奮闘もむなしく、戦局を好転させることはできなかった。さらに1918年8月8日にアミアンの戦い(de)でドイツ陸軍が決定的な敗北を喫した。ルーデンドルフはこの日を「ドイツ陸軍暗黒の日」と称した。