Onsager begynte sine studier i kjemi ved NTH i Trondheim allerede som 16-åring, og var ferdig utdannet sivilingeniør i 1925, før han hadde fylt 22. Hans diplomoppgave var innen eksperimentalfysikk. I løpet av studietiden fattet han også stor interesse for matematikk. Hans senere forskning og vitenskapelige resultater innen kjemi og fysikk, var «preget av stor matematisk virtuositet».