Wentzel begynte i 1916 å studere i Freiburg før han ble trukket inn i den første verdenskrig. Etter freden i 1919 fortsatte han studiene i Greifswald, med hovedvekten på matematikk. Men der fikk han også interesse for fysikk. Da han gjorde det så bra ved eksamen i elektromagnetisme, ble han året etter anbefalt å dra til München for å studere under Arnold Sommerfeld. Han ledet der en gruppe i teoretisk fysikk som var ledende på den tiden innen atomfysikk. En grunn var at Sommerfeld var såpass mye eldre at han ikke var blitt trukket inn i krigen og hadde kunnet fortsette sitt forskningsarbeid i denne perioden.