彭桓武自幼体弱多病，读小学和私塾花了7年时间。彭桓武经常在家翻看父亲书柜里的书，养成了自学的习惯。1931年，只有半年高中学历的彭桓武主要通过自学考入清华大学。在清华大学，彭桓武严格遵循着主修物理、选修化学、旁听数学的学习计划，生活紧张而有序。清华6年，他和王竹溪、林家翘、杨振宁被称为“清华四杰”。彭桓武的清华生活，由于日寇的入侵被迫中断。60年后，八十多岁的彭桓武写了一篇论文，当作自己的毕业论文，还清华大学周培源导师的债。　  1940年，彭桓武完成了自己在英国爱丁堡大学的博士论文，论文得到了导师玻恩教授的赞赏，并获得哲学博士学位。但是，彭桓武对自己的论文并不满意，他说，我的论文只做了一半。玻恩说，如果都做了，就不能只给你哲学博士，还要给你科学博士了。直到现在，彭桓武还在为那剩下的一半论文劳作。第二年8月，经马克斯•玻恩推荐，彭桓武到爱尔兰都柏林高等研究所做博士后研究，在著名科学家埃尔温•薛定谔领导的理论物理所中工作。在彭桓武与玻恩告别时，玻恩说，薛定谔没有学生。到都柏林后，彭桓武才逐渐明白玻恩这句话的深层含义。原来，薛定谔思虑深沉严密，对一个问题在没想清楚前是不会跟别人说的，一旦想清楚后再说，便十分严谨和正确，因而无从激发学生的创造性。而玻恩则让学生尽量独立思考，多创造性地做研究工作。这后来也成为了彭桓武的为师之道，就是要多激发学生的创造性潜能。

　　在清华的第一年，彭桓武每周有三天第四节无课。他就利用这段时间进书库，挑选要借的书。每次总凑满三册，这是借书规定的上限。借的书大多与上的课无关。当时的借书期限一般是两个星期，少数需要精读的才续借一次。那一年里，16岁的彭桓武读了英译本的康德《纯粹理性批判》和《实用理性批判》，罗素的散文集，怀特海的逻辑著作。第二年夏天，他每天上午都要到图书馆老阅览室去，从靠墙的一个书柜中，取出先秦诸子丛书，连续浏览。这时的彭桓武，已经在四年前读完了《史记》，两年半前浏览过达尔文的《物种起源》和汤姆逊《科学大纲》的中译本，刚学完了大学一年级的数学、物理和化学，看过几本英文哲学书，年龄已十六七，正是个人认识世界的关键时期，所以对诸子的观点不无思辨，有时晚上还在宿舍写心得。在先秦诸子学说中，他比较认同荀子的唯物观“天行有常，不为尧存，不为桀亡”。后来，曾专门借荀子精读，并假设该书章节在流传中有位置错乱，为之试作更正。他还对“道心维微，人心维危。维精维一，允执厥中”这16个字作科学认识论的理解。若干年后他才体会到这里面包含着中西文化的根本差异，而他从选物理系时起则更强调科学地认识物质世界这方面。

　　英伦十年，未改彭桓武书生本色。他中西兼容，融古今于一炉。雅好诗词，淡定情怀。很难单向度定义他到底是以学术为志业的西方式知识分子，还是天下滔滔，独善其身的狂狷之士。晚年，彭桓武辞去了兼任的各种职务，只保留了一张北京图书馆的图书证。