Etter å ha gått ut av Trondheim katedralskole i 1916 ble han kjemiingeniør ved Norges tekniske høgskole i samme by i 1920 og ansatt som vitenskapelig assistent samme året. Han foretok studiereiser til USA 1922 til 1924, Leiden i Holland i 1926, og 1929 til 1931 gjestende i Göttingen, Brussel, Paris, Berlin, Stockholm, og Paris. Moxnes tok en dr.philos. i 1929 fra det tyske Göttingens universitet innen strålefysikk.