仅一年时间，他拿到了硕士学位；再业余学习两年，他又拿到博士学位。一位中国学生轰动了两所美国大学。
1．留学康奈尔
就在茅以升从唐山路矿学堂毕业的同时，北京清华学堂要招考10名派往美国的官费研究生，由各大学保送毕业生应考。茅以升由唐山路矿学堂保送，又以考试第一名的成绩被录取，派往美国康奈尔大学土木工程系学习。
1916年9月，茅以升与其他被录取的青年，登上“中华号”远洋客轮，横渡太平洋向美国进发。经过20多天的航行，到达美国西部港口城市旧金山。几位青年从这里分手，各自奔赴要去的学校。茅以升乘火车到美国东部的伊萨卡城———康奈尔大学的所在地。
伊萨卡城是为康奈尔大学而兴建的，仅有两万多居民，城市的各行各业都是为康奈尔大学提供服务的。小城依山傍水，风景优美。康奈尔大学校园经过了精心美化，花木繁盛，碧池荡漾，草坪映绿，曲径通幽，真是理想的读书环境。
茅以升到校后，先去注册处报到。注册手续本来很简单，来自各国有名学府的学生，不用进行入学考试就可直接注册。但注册处主任用怀疑的眼光打量着面前这位未脱稚气的中国学生，说：“唐山路矿学堂？这个学校我们从来没听说过。你要先通过考试后，才能进研究院。”
茅以升初来乍到，还不知道可以免试注册，认为先考试再注册很正常。
考试对茅以升来说相当容易，他的成绩令注册人员大为惊异，想不到唐山路矿学堂这个名不见经传的学校，竟能培养出这样优秀的学生。他们不但热情地给茅以升注册为桥梁专业研究生，而且还作出决定：以后凡是来自唐山路矿学堂的学生，一律免试注册入学。
茅以升的导师贾柯贝教授，是美国工程学界的著名人物。他的《结构学》一书，是当时美国各大学土木工程系的通用教科书。他讲课深入浅出，富有启发性，非常吸引人。
贾柯贝教授很快发现中国学生茅以升思维敏捷，悟性很高，能提出别人不易发现的问题，回答问题也很有见解，因此对茅以升特别器重。他很乐意与茅以升交谈，并邀请以升到他家做客。在闲谈中，茅以升受到了不少启发，学到了许多知识。
康奈尔大学还有其他中国学生，他们大都勤奋好学，成绩优秀。贾柯贝从中国学生身上感受到了中华民族的聪明才智，对中国产生了好感。茅以升回国后，1923年任东南大学工科主任，贾柯贝教授因退休，将他所藏美国土木工程师学会的全套学报，连同书橱赠送给东南大学图书馆，以表达他对茅以升的器重和对中国的友好感情。
茅以升到康奈尔大学仅一年时间，就读完了桥梁专业研究生的全部课程，以优秀成绩取得了硕士学位。
康奈尔大学准备聘茅以升留校当助教。这是许多外国留学生求之不得的好事，但贾柯贝教授却说：“茅先生，你搞桥梁，光靠理论不行，一定要有实践经验。如果你愿意，我可以介绍你到匹兹堡一家桥梁公司实习。”
导师的话正合茅以升的心意。他当时正遨游在知识的海洋里，求知的欲望非常旺盛。他知道自己虽已拿到硕士学位，但还不足担当设计、建造大桥梁的重任。有这样的实习机会，他当然不会放过。
1917年7月，茅以升来到了匹兹堡市，在一个较偏僻清静的地方租房住了下来。匹兹堡是美国的工业城市之一，以钢铁工业最为发达。这里工厂密集，烟囱林立；地上机器轰鸣，天空烟雾弥漫。
茅以升在匹兹堡桥梁公司实习了一年半时间，每天工作8小时。他经历过制图室、设计室、构件工厂、装配工地等工作单位，干过测绘、设计、制图、金属工、木工、油工等多个工种，学到了很多在校园里学不到的知识。
茅以升的实习工资是每月70美元。他租住一间民房，每月14美元，伙食约30美元。这家房东对他非常友好，女主人精心安排他的一日三餐，使他感到既省钱又省时间。他每天早上5时起床，6时出发上班。女房东也很早起床，为他准备早餐，保证不误他的上班时间。茅以升非常感激这家房东，直到离开美国，他没有再搬第二家。回国后，他一直没有忘记与这家房东的情谊。1982年他到匹兹堡，还特意打听这家房东，可惜她家早已搬走了。
2．加里基工学院的第一位博士
匹兹堡有一所加里基工学院，茅以升到桥梁公司后，听说该校的土木工程系有夜校，设有工科博士学位，必修的课程都要在晚间上课。桥梁公司都是白天上班，时间上不冲突，于是他就去报名申请攻读工科博士学位，居然得到批准。这样，他又为自己压上了加倍的学习任务。
加里基工学院规定：已经获得硕士学位者，再攻读博士学位，除了必须完成博士论文外，还要修满一门主科和两门副科的学分。茅以升是学桥梁的，主科当然是桥梁工程。副科中一门必须属于自然科学，他选了高等数学；一门必须属于社会科学，他选了科学管理。此外，还要通过两门外语考试。因为是在美国，英语不能算外语，他选了汉语和法语。汉语他当然不用再学，法语他也有相当的基础，不需要怎么努力就能通过。这样，他就可以集中时间和精力攻读其他课程。
茅以升是加里基工学院第一位攻读工科博士学位的研究生，也只有他一人选修高等数学。但学校还是为他一人开了这门课。任课教授精心备课，认真讲课，没有因为只有一人学习而露出丝毫应付的态度。茅以升求知欲强，悟性高，也使任课教授感到一种无形的压力。“茅先生，”任课教授说，“给你一个人上课，我丝毫也感觉不到比给一个班上课轻松。”
老师一丝不苟的教学态度，使茅以升深受感动。他想，如果我拿不下博士学位，连这位老师也对不住啊！
他每天白天到桥梁公司上班，下午5时下班，回到住所吃过晚饭，7时又去上夜校，9时下课，回到房间又独自学习到深夜。
他从不放过一分钟时间，上下班路上，工地上的休息时间，吃饭的时候，他都充分地利用。只要一有时间，他就很快进入专心致志的学习状态，机器的轰鸣和人声的嘈杂都干扰不了他。
只用了一年时间，他就修满了各科的学分，比学校规定的时间提前了一年。接下来就是做博士论文，这是他完成学业的最后攻坚阶段。他决定辞去桥梁公司的工作，专攻博士论文。
茅以升选择的研究课题是结构力学中的“次应力”问题。这个问题对于建筑和桥梁工程具有重大的实际意义。他凭借自己扎实的力学和数学知识基础，参考前人的研究成果，把“次应力”这个力学问题归结为一个数学问题，用数学方法进行演绎推论，试图找出最佳方案。他总结了已有的多种方法，比较它们的优缺点，提出一种新的计算方法，将问题大大地简化，更容易找到最佳方案。
1919年8月，他的官费留学期满，按规定应马上回国，但他的研究正处在关键阶段，怎么能半途而废呢？国内停发了他的留学费用，他就用在桥梁公司实习期间积下的一点钱来维持生活，这点钱很有限，他不得不节衣缩食。
恰在这时，他接到家信，得知祖父去世，父亲失业，家中生活困难。他心急如焚，恨不得立即结束学业回国。好在妻子在信中安慰他不必挂念家中，一定要在美国完成学业，家中的困难自有办法克服。这使他稍稍安下心来。
生活逼迫茅以升又加快了他的研究进程。他废寝忘食，达到了拼命的程度。功夫不负有心人，到10月初，约30万字的博士论文终于完成了，题目是《框架结构的次应力》。
当月，加里基工学院为茅以升的论文举行答辩会。他从容地回答了教授们提出的一个又一个问题，顺利地通过了答辩。答辩委员会一致认为他的论文达到了当时的世界水平，同意授予他工科博士学位。就这样，茅以升成为加里基工学院的第一位工科博士。直到1936年，该校才有了第二位工科博士。
茅以升的论文在美国工程界引起了强烈反响，一些知名科学家盛赞他的研究成果。匹兹堡各大报纸都报道了中国留学生茅以升荣获加里基工学院第一个工科博士学位的消息。茅以升在博士论文中的科学创见后来被称为“茅氏定律”。
看到自己的学生在这么短的时间里取得这么可喜的成就，贾柯贝教授非常激动。他将茅以升的论文推荐给康奈尔大学，也赢得了高度评价。康奈尔大学将当年的“菲梯士”金质奖章颁发给茅以升。菲梯士原是该校土木工程系主任，他捐款作为基金，专门奖励在土木工程研究上卓有成就的研究生，每年颁发—枚奖章。
3．创立中国工程学会
茅以升在美国学习期间，并不感到身处异国他乡的孤独，一个原因是他在追求知识中得到了很大满足，另一个原因是在伊萨卡和匹兹堡汇集了一批中国留学生。他们大多是有志青年，怀抱着学成后报效祖国的强烈愿望，互相激励，互相帮助。他们还组成各种团体，开展丰富多彩的活动。茅以升积极参加这些团体和活动，与许多中国留学生保持着愉快的交往。
他刚到康奈尔大学，就意外地发现在唐山时的亲密同学杨杏佛也在这里，他乡遇故知，自然更加亲热。