A finales del año 1967, Varela recibió una beca doctoral con la que realizó estudios de postgrado en la Universidad Harvard, doctorándose a la edad de 24 años con la tesis "Insect Retinas: Information processing in the compound eye," bajo la dirección de y Torsten Wiesel, quien en 1981 sería galardonado con un Premio Nobel de Fisiología por sus estudios sobre el sistema visual.