龙璋先生认为像丁文江这样出类拔萃的人才，在当时的条件下，唯一的培养途径是出国深造。泰兴是个一向闭关自守的小县城，乡绅们思想守旧，对于出国学习有很多疑虑，几乎所有的人都不赞成把孩子送到国外去学习，而对丁文江来说，他的母亲刚刚去世，父亲坚持认为居丧期间，不宜出门，否则就是不孝。
出国留学的费用很高，全由自家负担，就是当时有一定社会地位的家庭也负担不起，何况丁文江的兄弟又多，无论选送谁出国留学，也得借债，这就等于拿全家人的前途来冒险。当时丁文江的哥哥丁文涛也想出国学习，然而自认不及丁文江聪颖过人，理应推他出国深造。全家老小一致决定送丁文江到日本留学。
1902年秋天，丁文江乘船东渡日本，这年他才15岁。他住在东京神田区的平民家里，结识了许多中国留学生，大家一起参加“谈革命，写文章”的活动。丁文江在日本的一年多时间里，没有进过正规学校。他把主要精力用在参加政治活动上，而把学习抛到脑外。说得具体一些，是参加“变法维新”的改良活动。
当时正值康有为、梁启超为首的改良主义者和以孙中山为代表的革命民主派，在日本论战。他们为实现奋斗目标而争取海外学生。丁文江受梁启超的影响很深，他把政治热情投向了康、梁自上而下的“变法维新”运动。
以孙中山为代表的革命民主派所宣传的革命主张，在当时的日本留学生中，影响一天天扩大。抨击清朝政府，鼓吹革命的书报杂志，纷纷在东京出版。曾经以“变法维新”而名噪一时的康、梁的主张，已经落后于时代，在留日学生中的影响越来越小，而且被不少人称作“保皇党”。丁文江的思想发生了转变，他想到英国去留学。
丁文江怎样想到去英国学习的？说来话长。原来有一个名叫吴稚晖的留日学生，因为在日本宣传革命，反对清朝政府，被日本政府以进行反动煽动为名，把他驱逐出境了。于是吴稚晖来到英国的苏格兰，在那里从事生物进化论和古生物学的研究。1904年春，吴稚晖给丁文江的朋友来信，信中轻蔑地写道：
“日本留学生终日开会，吃中国饭，谈政治，而不读书。”
吴稚晖作为一个革命的无政府主义者，后来成为孙中山的追随者，在留日学生中享有较高的威望。因此，他的批评在日本留学生中有一定影响。
吴稚晖在来信中还说：据估计，一个中国人在英国的生活费并不算高，只要有600元收入就可以在爱丁堡学习西方知识了。这封信在留日学生中流传比较广泛，后来传到丁文江手里，他看信后很受感动，于是与好友李祖鸿、庄文亚商量，决心共同到欧洲去学习。
丁文江在3人中年龄最小，但是能量最大，办法也比较多。他出面说服了李祖鸿的父母，也说服了他自己的父亲和兄弟们。他把3个人身上仅有的钱集中起来作路费，统一掌管，以便节省开支。
1904年3月，丁文江等一行3人登上了赴英国的轮船。由于他们经济拮据，本想购买票价低廉的日本轮船票，但由于日俄战争，日本轮船不能保证安全，不敢乘坐，所以买的是一艘德国轮船票。当他们交付船票钱和其他杂费后，3个人只剩下15英镑了。很显然，这点儿钱，要去英国是很不够的。
当时，丁文江等人的世界地理知识十分贫乏，就连去英国怎么走，要多少时间，有多少里程，都一无所知；从伦敦到爱丁堡还要乘很长一段火车，就更是茫然了。所以，他们这次欧洲之旅，像我国关里人挑着担担闯关东一样，是水上的浮萍，没有根的。
由于无知，尽管钱少，他们也无忧无虑，反而被大海、波涛、蓝天与水鸟等自然景色所吸引，陶醉在梦幻与理想之中。他们早就得知，维新派首领康有为在改良失败以后，流亡到新加坡的槟榔屿。尽管他们与康有为的主张是格格不入的，但丁文江仍然提议去拜访这位伟大人物。
在新加坡的槟榔屿，3位青年对康有为进行了礼节性的拜访。康对这3位年轻人极为关怀，“授之以鼓励和告诫之辞”，并馈赠给他们10个英镑，还写信叫他们到伦敦后，去找他的女婿罗昌。后来，罗昌见岳父的来信，又资助了他们20英镑，这样，才得以渡过难关。
在热心人的帮助下，丁文江等3人终于到了苏格兰。当他们在爱丁堡找到吴稚晖时，经过交谈才了解到，这里的情况并不像吴稚晖在信中所说的那样好过，连他本人目前也身无分文，几乎是穷困潦倒，无所事事。经过吴稚晖的努力，庄文亚同吴稚晖一道去格拉斯奇的船场打工，丁文江和李祖鸿被一位素不相识的好心人搭救了。
这位好心人名叫史密斯，是位行医的传教士。当他了解到这两位中国穷困青年想进高等学府接受教育，但又毫无考试准备时，史密斯医生就建议他们到他的家乡林肯郡的司堡尔丁（Spalding）去念中学，然后再考大学。
丁文江和李祖鸿，接受了史密斯的建议，跟随他来到司堡尔丁中学。他们住在这个朴素的乡间小镇上，由史密斯作保证人，开始了两年的中学学习。在这里，丁文江得到了中学正规教育，学习了数学、历史、地理、物理、化学、拉丁文和法文等。在两年中，他跳了3个年级，完成了英国中学6年的课程，还得了好几枚紫铜奖章。
1906年，丁文江考入英国剑桥大学，此时他已获得中国政府奖学金了。学了一个学期，但由于负担不起生活费和学杂费，又离开了剑桥大学，从而中断了学业。1907年春，才回到英国转入格拉斯哥工业学院预科学习，1908年转入格拉斯哥大学学习，花销少一些。在这里他专心攻读动物学和地质学。开始时，他以动物学为主科，以地质学为副科。1910年又主攻地质学，以地理学为副科。1911年，取得了格拉斯哥大学动物学与地质学双学位。
英国是近代地质学和古生物学的发源地之一，这里拥有近代地质学史上许多赫赫有名的地质学家。丁文江把原来是副科的地质学，转为主科，是很有远见卓识的。在他看来，由于中国的近代科学落后，采矿业被外国人控制了，只有学好地质学，并直接应用到采矿业中去，才能有自己采矿的主动权。于是，丁文江立志要成为这方面的中国技术专家。
1911年4月，丁文江离开英国，回到了阔别7年的祖国。旅欧学习、深受西方文化的影响，奠定了丁文江学术成就的雄厚基础。用他的亲密好友胡适的话来说，丁文江是“一位欧化最深的中国人”。
罗素说：“他掌握多种语言，他那直率的讲话方式，乃至他的小胡子和对雪茄的爱好，有时使一些老派中国人感到不快。他的朋友们十分有把握地说他是一个‘地道的中国人’，而那些不是他朋友的人则痛惜他忘了本。实际上所有这些议论的真正根源在于，丁文江在英国就掌握了一个科学家的国际性专业和思维方式。”