Pannenberg begynte sine studier ved Humboltuniversitetet i Berlin. Senere studerte han i Göttingen, Basel og Heidelberg. Blant hans lærere i filosofi var Nicolai Hartmann, Karl Jaspers (Basel) og Karl Löwith. Hans viktigste teologiske lærere var Karl Barth (Basel), Hans von Campenhausen, Gerhard von Rad og Edmund Schlink. Sistnevnte gav ham interessen i kristendommens økumeniske problemer og viste ham nødvendigheten av en interdisiplinær dialog – spesielt med naturvitenskapene. Pannenberg avla den teologiske doktorgrad i 1953, i Heidelberg med Schlink som veileder. Hans doktoravhandling omhandlet predestinasjonslæren til middelalderfilosofien og -teologen Johannes Duns Scotus. I 1954 ble han Schlinks assistent i Heidelberg og giftet seg med Hilke Schütte som studert engelsk og fransk språk og litteratur. I 1955 leverte han sin andre doktorgrad (), om forholdet mellom analogi og åpenbaring (først publisert i 2007).