I 1922 begynte Oppenheimer sine studier ved Harvard University, som han avsluttet i 1925 . Hans hovedfag var kjemi, men han hadde også studert gresk, arkitektur, kunst og litteratur. I tredje studieår gjorde professor Percy Bridgman ham begeistret for fysikken. Det ble til at han studerte videre ved Cavendish Laboratory på Cambridge University i England under ledelse av Ernest Rutherford, der han ble gitt eksperimentelle arbeider, noe som interesserte ham mindre. I den perioden hadde han en psykisk krise og fikk psykologisk behandling. Deretter gikk han inn i den teoretiske fysikk, som han viste seg å ha stort talent for.