Stein gikk på Radcliffe College, et kvinnecollege tett knyttet til Harvard University, og studerte under psykologen William James. Etter eksamen i 1897 brukte hun sommeren på Woods Hole i Massachusetts, hvor hun studerte embryologi på det marine biologiske laboratoriet. Etter dette fulgte to år på Johns Hopkins Medical School. I 1901 forlot hun Johns Hopkins uten eksamen. Et av hennes mest berømte sitater ble til da hun ble spurt om hvorfor hun her ikke hadde tatt eksamen. Hun svarte på sin nøkterne måte: «Eksamener kjeder meg».