Etter å ha avsluttet universitetsutdannelsen i fødebyen København, der han leste medisin fra 1656 til 1659 under bl.a. den fremragende danske medisiner og anatom Thomas Bartholin, reiste han ut i Europa. Ved universitetene i Leiden (Nederland), Paris, Montpellier (Frankrike) og Pisa (Italia) kom han i kontakt med prominente medisinere og andre forskere, og takket være sin gode observasjonsevne oppdaget han fort viktige sammenhenger. På en tid da forskning i faget naturvitenskap innebar granskning av de gamle antikke autoriteter, hadde Stensen mot til å stole på sine egne øyne, selv når det han observerte avvek fra tidligere etablert innsikt.