Etter examen artium studerte Balchen ved Norges tekniske høgskole (NTH) og var ferdig utdannet sivilingeniør i 1949. Han utdannet seg til elektroingeniør, som sin far. Mens han arbeidet med diplomoppgaven, høsten 1949, ble han oppmerksom på boken av Brown og Campbell (1948). Denne ble en stor inspirasjon for hans senere virke. Han har selv uttalt at denne boken så å si forandret hans liv, og var årsaken til at han etter studiet valgte å satse på kybernetikk, eller reguleringsteknikk, som var fagtermen på den tiden. Han skjønte at dette var et område som kom til å bli viktig for Norge og norsk industri, og han ville lære mer om det. Fagområdet hadde fått sitt gjennombrudd under andre verdenskrig ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Etter eksamen ved NTH fikk Balchen et stipend fra Utenriksdepartementet, og reiste til USA for å studere ved Yale University. Etter ett år returnerte han til Norge.