苦读三年，眼看就要毕业的学生，被迫纷纷离校。年轻的竺可桢，遭到了人生的第一个打击。他痛楚地感受到了社会的冷酷无情，权力的不公正。莘莘学子，执著而单纯，向校方提出自己的合理要求，何罪之有？竟至于被迫离校，申诉无门，走投无路。这一打击在竺可桢心中留下了深深的烙印，这一事件虽然他从不轻易向人提起，但却影响了他的一生。三十年后，在他长达十年执掌浙大的经历中，他从不轻易处罚、处理任何一个学生，而总是设身处地地为学生着想，替学生说话，帮助和爱护那些年轻人，理解和同情那些年轻人的冲动和热情。因为他从没有忘记在澄衷学堂的那些日子。
离开澄衷学堂，竺可桢考入了复旦公学。冬天，他接到母亲病重的家信。匆匆赶回家中，母亲却永远看不到她日思夜想的小儿子了。悲痛欲绝的竺可桢哭哑了喉咙。
丧事完毕，竺可桢经余姚乘乌篷船回上海。灰蒙蒙的天空让人感到压抑，灰蒙蒙的江面让人感到压抑。国家的前途令人担忧，丧母的悲痛压在心头，18岁的竺可桢真正感到了人生沉甸甸的分量。
当竺可桢所乘的船靠近趸船，他正欲下船时，心事重重的他一不留神掉进了江中，江水一下子就淹没了他。侥幸的是，他手上拿的伞迎水张开，他紧紧地抓住了伞柄，旁边的一位工人提着伞将他救起。
这是位锡箔厂的工人师傅，他看到竺可桢年轻单薄的模样，就把他带到工厂里帮他把衣服烘干，并留他住了一宿。第二天一早，他陪着竺可桢来到码头，看着竺可桢乘上了去上海的轮船，才放心地离去。
复旦公学管理不严，教学质量也差。竺可桢1909年远走北方，考入了唐山路矿学堂，学习土木工程专业。唐山路矿学堂是一所新式学校，教学管理十分严格，数学、物理、化学和所有土木工程专业课的教师，都是英国人。他们用英语教学，用英语提问：
“Number two hundred and twenty seven！”（227号）
竺可桢知道，这是在叫他起来回答问题。每当这时，他都有一种屈辱的感觉，仿佛自己是被点名的囚犯。但他把这些不快压在心底，刻苦地学习。一年半中的五次考试，他每次都是全班第一，是学堂里最优秀的学生。连那些傲慢的英国老师，对他也刮目相看。
3．留学美国
“庚子赔款”中，美国从中分得了约7％的份额。在获得这笔不义之财的第六年，美国政府提出，将这笔款项的大部分，作为从1909—1940年分批接收中国留学生的费用。这就是庚子赔款公费留学生的由来。
由此，许多有志于学的年轻人得到了走出国门、学习西方现代科学技术文化的机会。
这些年来，竺可桢家里的境况日益艰窘。竺家的米行入不敷出，竺家的房屋产权也已抵押给他人。家里竭尽全力也无法供竺可桢继续求学深造了。“庚款留学”使竺可桢看到了一条出路，他参加了报考。
1910年，第二届庚款留美考试后，全国共录取70名考生。竺可桢以第28名的成绩被录取。同届录取的还有后来成为中国现代文化名人的胡适、赵元任等人。
那是个丹桂飘香的时节，竺可桢与其他几十个满怀憧憬的留学生远渡重洋，到达了美国。
在选择所学专业时，竺可桢想到，中国以农立国，万事以农为本，他不能忘记故乡宁绍平原辽阔的田野，他不能忘记躬耕垄亩和在父亲的米行里出出进进的农民，他想弄清那滚滚而来冲击着中国市场的洋米、洋面、洋布是怎样生产出来的。于是，他选择了到美国中部的伊利诺伊大学农学院学习。
伊利诺伊州号称美国的粮仓，黑色的土地肥沃得冒油。这里气候温暖，雨水十分丰沛，大豆产量在美国数一数二，玉米的产量更是居美国之首。伊利诺伊农学院设在这里，真是得天时地利之便。
到美国后的第一个暑假，竺可桢与三个中国同学一道，前往美国南方路易斯安那州和德克萨斯州旅行，考察那里的水稻和甘蔗的种植情况。
到美国的第二年，竺可桢又利用假期，到美国中部的农场去做帮工，一方面挣些钱补贴花销，一方面了解美国农业各方面的情况。
通过在学校的学习和实际考察，竺可桢感到，中国的农业状况与美国的农业体制及耕作方式有太大的距离。美国农业所生产的玉米、棉花、甘蔗、水稻等农作物，都产自各专业农场；美国的农业是高度产品化、自动化的，而中国农业还停留在自给自足的小农经济阶段，他所学的东西远离中国农业的现实。
1913年夏天，竺可桢从伊利诺伊大学毕业了。在选择继续深造的专攻方向时，他选择了与农业密切相关的气象学。他考入了哈佛大学地学系研读气象专业。
哈佛大学始建于1636年，是美国建校历史最长、办学声誉最好的大学，也是世界上最著名的学府之一。
20世纪初，气象学还是一门新兴的学科，在美国也只有哈佛大学研究院开设气象专业。研究院里的学生本来就不多，学气象的更是寥寥。但这里学风谨严，学术研究气氛浓郁，教师认真负责，竺可桢在这里如鱼得水，一下就钻了进去，和大家相处得也十分融洽。
哈佛大学作为美国的名牌大学，要求每个入校的学生都要牢记哈佛的校训：Reality（真实）。竺可桢认为，这个校训同中国传统文化中的求是精神是一致的。他非常赞赏这个校训，他认为，只有老老实实，才能求得真学问。任何虚假的作风，都是同科学无缘的。
沃德教授、麦坎迪教授都是美国著名的气象学家。竺可桢在他们的指导下，于1915年获得硕士学位。这之后，他又申请延长三年学习时间，继续深造。
中国这时候已经是辛亥革命之后的民国了，但从国内传来的却是军阀混战、民不聊生的消息。这一切更坚定了竺可桢科学救国的信念。他认为国内政治混浊，前途渺茫，只有先进的科学技术，才能使中国朝着现代社会发展。
他始终记得开学时导师的话：“气象学过去是、将来也一定是一门有益于人类的科学，它的价值将越来越被人们所认识。”在导师的引导下，竺可桢在哈佛的学习一开始就瞄准了气象科学的最前沿研究，他除了攻读气象、气候、地质、地理学等十多门课程外，还选修了自然科学史，讲授科学史的沙顿教授特别喜欢这个瘦小而勤奋的中国年轻人。哈佛的课程，灌输式的讲授极少，启发式的讨论课和让学生亲自动手实习的课程却相当多。竺可桢在这里扎扎实实地汲取着知识，一步一步向着科学圣殿登攀。
1915年，在美国康乃尔大学学习的任鸿隽、杨杏佛、赵元任、胡明复等留学生，发起成立了“中国科学社”。这是中国最早的科学社团组织，对我国早期科学事业的发展产生过重要影响。1916年，“中国科学社”的主要发起人都转到了哈佛大学学习。竺可桢在杨杏佛的介绍下，参加了“中国科学社”的活动，担任《科学月刊》的编辑工作。
他开始在美国的气象、地理杂志及《科学月刊》上发表学术论文。他把研究目标首先确立在中国的气候研究上。他利用一切课余时间，钻图书馆，查阅资料。
气象研究和其他科学研究一样，是建立在长时期的、大量的气象观测数据资料上的。这些观测数据，有的靠科学工作者通过自己的观测取得，有的要靠前人或其他人的观测记录取得。当竺可桢决定要研究中国的雨量和风暴问题时，却面临着一个几乎令他难以置信的现实问题———中国的气象观测记录奇缺。
中国有几千公里漫长的海岸线，每年我国沿海地区都要遭受几十次风暴袭击。为了保证沿海的船舶安全航行，气象预报是必不可少的。可当时中国沿海的风暴预报，只能依赖建立在上海法国租界的徐家汇气象台提供。
雨量的记录同样如此。据史料记载：中国是世界上测量雨量最早的国家之一。早在15世纪，我国古代气象工作者发明的测雨器就传到了朝鲜。可是，到了20世纪初，中国在这方面不仅失去了领先地位，反而要依赖外国设在中国的气象台来提供中国的雨量情况。这一历史的大倒退不能不令年轻的竺可桢感慨万端。
哈佛的图书馆以藏书丰富著称，可竺可桢在这里查遍了有关的书目，结果只找到一本记载中国雨量的书，这就是外国设在上海徐家汇的气象台总观察员所写的《中国十一年来之雨量》。这本书所提供的，只是中国沿海地区几年的雨量记录，由此，竺可桢清楚地看到，中国现代的气象事业犹如一块荒芜的田园；由此，竺可桢更清醒地认识到，自己选择了学习气象，犹如选择了一份沉甸甸的、义不容辞的责任。
在哈佛攻读期间，竺可桢陆续发表了《中国之雨量及风暴说》、《台风中心之若干新事实》等多篇论文。在这些论文中，他开始运用现代气象学理论，来研究中国气象的实际问题。他提出的一些观点和论据，在当时就引起了气象学界的重视。直到今天，他的研究成果还具有指导价值。
1917年，竺可桢被接纳为美国地理学会会员，同年获爱默生奖学金。
在美国学习期间，竺可桢养成了每天记日记的习惯。他的日记，每天都要记录当天的温度、风向、阴晴等气象情况和有关气象研究的各种资料。他买了—个白铜套子的钢笔式的温度计，带在身边随时取用。从这时起，写日记的习惯伴随了竺可桢的一生。
美国的冬天，风雪交加，阴冷晦暗。埋头于图书馆的竺可桢收到了家中的来信。远离故土亲人的海外游子，每次收到家信都像过节一样喜悦，可这封信却使竺可桢悲痛万分。他的父亲竺嘉祥在故乡绍兴东关镇去世了。
在竺可桢远离家乡的这些年里，他的二哥、大哥先后去世，如今父亲也永无再见之日。竺可桢来到一处无人的地方，面向东方，默默垂泪。他从自己的生活费中省出钱来，邮寄回家，以补贴家中丧葬的费用。同时，他更加发愤努力钻研，以告慰对他寄以殷殷期待的死去的父兄。
1918年，竺可桢的论文《远东台风的新分类》通过答辩。竺可桢获哈佛大学博士学位。
时值秋天，哈佛校园里的枫树红黄交织，像一幅五彩斑斓的印象派油画。竺可桢踩着落叶漫步在校园里，一只小松鼠捧着松塔在草坪上蹦来蹦去，两只亮晶晶的小眼睛一点儿也不畏怯地望着竺可桢。竺可桢默默地向这一切告别。别了，这幽静美丽的校园；别了，这卷帙浩繁、包罗万象的图书馆；别了，这设备一流、技术领先的实验室；别了，博学而仁慈的导师们。尽管眼前的一切令人难以忘怀，但这一切都无法替代他对祖国的强烈思念。他要回国了，他听见了那来自故园、来自心底的一声声呼唤。