20世纪20～30年代是物理学研究的黄金时代，当时物理学研究的中心在欧洲。奥本海默读书时就想毕业后到欧洲学习深造。他毕业后，珀西·布里奇曼就以导师的身份把他介绍给当时欧洲的物理学研究权威机构剑桥大学的卡文迪许实验室。这个实验室原来由汤姆生领导。汤姆生是英国物理学家，因在气体放电的理论和实验研究上作出了贡献而于1906年获诺贝尔物理学奖。
1919年欧内斯特·卢瑟福接替了年迈的汤姆生。卢瑟福生于新西兰，但长期在英国工作。1899年发现放射性辐射中的两种成分，并由他命名为毩射线和毬射线，1908年获诺贝尔奖。1911年根据毩粒子的散射实验（卢瑟福实验）最初发现了原子核的存在。原子核位于原子中心，比原子小2万倍，就像一座发电厂，放射性能量就是从那里释放出来的。1919年他用毩粒子轰击氮原子而获得氧的同位素，第一次实现了元素的人工嬗变。这意味着人类懂得了原子核改变质子数目时有一种能量释放出来，这种能量是原子核外部电子运动释放的能量的几百万倍。人类揭开了核物理面纱的一角，从矿物质中分离原子弹爆炸原料的理论开始形成。
奥本海默后来告诉一位历史学家说：“但卢瑟福没有要我，他不怎么重视布里奇曼……我甚至不知道我为什么离开了哈佛，但我多少觉得‘剑桥’更接近于中心。”
布里奇曼的推荐书用意良好，但在去卢瑟福处却没帮上什么忙，原因是推荐书写得太实在了。这位哈佛的物理学家写道，奥本海默具有“十分惊人的领悟能力”，而且“他研究问题表现出在处理上高度的创造性，具有很强的数学能力”。但“他的弱点是在实验方面。他的思想是分析型的，而不是物理型的。他在实验室操作方面并不熟练”。布里奇曼诚实地说，他认为奥本海默个性中带点“冒险性”，“我相信他将取得非凡的成功”。
布里奇曼给奥本海默的鉴定异乎寻常地准确。可惜的是当时卡文迪许实验室需要的是具有很强实验能力的研究生，而卢瑟福又是一名严肃的实验物理学家，决不允许他的学生冒险。结果，布里奇曼的推荐没能成功，但奥本海默并没有就此罢休。
1925年，奥本海默同保罗·霍根和赫伯特·史密斯一起在新墨西哥州度过了另一个愉快的夏天。每次旅游对奥本海默都如同一次充电，充电后就又开始了他智慧上的能量释放。
同年秋，奥本海默前往英国剑桥大学，报考卡文迪许实验室。当时汤姆生仍在卡文迪许工作，他发现奥本海默有超常的数学分析能力，便接受了他。奥本海默就读于两位诺贝尔奖获得者门下，也就是说，从他在大学接触物理开始，已有三位世界一流水准的名师做他的老师。他们是名副其实的名师高徒。
奥本海默进入卡文迪许实验室后，被主任卢瑟福分配做实验中的辅助工作，辛苦地制造实验用的铍的薄膜。他在卡文迪许的一个巨大地下室（被称作车库）的一角工作，汤姆生在另一角工作。这项工作他觉得单调重复，似乎永远也搞不完。此外，他有时也去听课，但对课程内容也非常讨厌。唯一令他感兴趣的是汤姆生和卢瑟福在实验室内对量子的讨论。
第一次世界大战后，关于量子论的工作刚刚开展起来，它强烈地吸引了奥本海默。他有一种与量子相见恨晚的感觉，内心很着急，有些急于求成，想通过卡文迪许实验室一下子冲到量子物理的最前沿。但现实与理想的巨大反差使他终日躁动不安。
卢瑟福的理论是继爱因斯坦之后的又一个科学巅峰，需要证明的实验内容很多。因此卡文迪许实验室非常兴旺。斯诺1934年发表的第一部小说《探索》描述了这个时期的卡文迪许，他写道：
“我不会轻易忘记在卡文迪许那些星期三的会议。对我来说它们是在科学中所有激奋情绪的精华，它们是浪漫的，如果你愿意这样理解，而且不处于最高经验的水平上，我很快就知道了这种‘科学发现’的经验。但一周接着一周我在阴冷的夜间离开会场，东风从古老街道尽头的沼泽地呼啸而来，夜晚充满了一种光辉，表明我曾看见和听到并感到接近了世界最伟大运动的领袖们。”
卡文迪许实验室的兴旺实际上是实验的兴旺。奥本海默却因此而吃尽了苦头，主要因为他不擅长做实验。他11月1日写给在牛津的弗朗西斯·弗格森的信中说：“我的日子过得相当坏。实验室工作非常令人讨厌，而且我对实验很不行，我无法感到我是在学习什么东西……上课也令人讨厌。”但他也认为“这里的学术水准会一下子挖走哈佛的人”。三年后当他取得突破后，他把这个时期描绘为“一个小男孩因为遭到冷落而不能开心地玩，产生了强烈的伤心感”。
卡文迪许理论上满足不了奥本海默，实验上他又很笨拙，他几乎成了多余的人。他在12月写给史密斯的信中说，他事实上“接近于杀死自己，这是慢性的”。过圣诞节时他在巴黎见到弗格森，两人在一起谈了很多。奥本海默在叙述自己在爱情冒险中的挫折时还比较平静，当弗格森同他谈起他的信，提起实验室的工作时，奥本海默扑向弗格森，一把扼住他的脖子说：“我宁可掐死你，也不能让你提卡文迪许实验室。”弗格森生气地将他推到一边。两人不欢而散。
事后奥本海默又很后悔，在信中解释说：“我在实验室，连把两根铜线焊到一起的能力都没有，但内心又追求卓越，这怎能不使我发狂。我担心我控制不住自己，真有一天会疯狂起来。”
当这种日益深重的心理危机困扰着奥本海默时，他就拼命地工作，使自己疲劳。他的一个朋友说他“从事大量的工作、思索、阅读、讨论问题，但显然怀有巨大的内心不安和惊恐”。用他自己的说法是做了很多没有意义的事，这使他又陷入更深一层的心理危机。然而，天无绝人之路，尼尔斯·玻尔的出现使他很快就振作起来。
玻尔是丹麦物理学家。于1913年在普朗克量子假说和卢瑟福原子行星模型的基础上，提出了氢原子结构和氢光谱的初步理论。稍后，又提出了“对应原理”。对量子论和量子力学的建立起了重要作用。在原子核反应理论和解释重核裂变现象等方面，也有重要贡献。1922年获诺贝尔物理学奖。
卢瑟福把奥本海默介绍给玻尔。玻尔问他搞什么，他告诉了玻尔。
玻尔说：“进行得怎样？”
奥本海默说：“遇到了困难。”
玻尔又问：“困难是数学的还是物理的？”
他说：“我也不知道。”
玻尔说：“那太糟了。”
玻尔像长辈一样，给奥本海默一种亲切感。玻尔让他考虑一下是不是换换研究方向。奥本海默回忆说：“那时我忘记了铍和薄膜，并决定试一下理论物理学家这一行业。”玻尔是奥本海默研究道路上的第四位获诺贝尔奖的老师。在玻尔的教诲下，他打起精神又准备重整旗鼓了。
他先去找了一位剑桥的精神病医生给他看病。他父母得知后，就像多年以前在柯尼希营地一样，他们及时赶来了，陪着他一起看了一位有名的精神病专家。经过几次诊断，发现奥本海默患了精神分裂症。病理现象是过早成熟，思维过程不完善，行为古怪，倾向于生活在一个自我内心世界里，不能保持正常的人际关系，并且极难断定能否治愈。他父母对医生的诊断深感不安。在医生的建议下，他的父母积极督促他离开卡文迪许到大自然中去。
1926年春，奥本海默去科西嘉岛旅游了十多天。从科西嘉岛回来，奥本海默仿佛一下子长大了，成熟了很多，古怪的孩子气也没有了。看到他的变化，有人询问他在科西嘉岛发生了什么事，奥本海默一直守口如瓶，只说是爱，但不是爱情，是爱改变了他。
直到晚年他也没有将这段经历说得很清楚，但无论在科西嘉岛发生了什么，奥本海默和玻尔长谈后终于从彷徨中走了出来，在剑桥找到了适合自己发展的专业，事实上从这时起他就确定了他在物理学中的位置，减少了盲目性。
秋天，他接受了玻尔的建议，到德国中部下萨克森的中世纪古城哥廷根去学习。那里有英国乔治二世建立的乔治·奥古斯塔大学。比玻尔大三岁的马克斯·玻恩是这所大学的物理系主任。玻恩1921年任德国哥廷根大学教授，1954年获得诺贝尔物理学奖。玻恩是奥本海默第五位获得诺贝尔奖的恩师。
物理系在洛克菲勒的资助下新建造起来的位于本生大街的学院大楼内。尤金·威格纳同玻恩在一起工作，他后来成为美国研制原子弹的积极鼓吹者。诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡和沃尔夫特·泡利以及意大利的恩里科·费米（后来世界第一个原子能反应堆的建造者）都来过这里。在哥廷根乔治·奥古斯塔大学还聚集着当时物理学界三位天赋最高的后起之秀：马克斯·玻恩、戴维·希尔贝特和詹姆斯·弗兰克。这三位新星在物理学界极富吸引力，各国的物理学家络绎不绝地来到哥廷根，其中许多人想求学于物理学三颗最明亮的新星门下。
奥本海默来到哥廷根后在写给英国剑桥一位朋友的信中说：“我想，你会喜欢哥廷根的……这里的科学研究比剑桥好得多，总的来看，可能是最好的。他们工作非常努力，既坚定不移，富于幻想，又有壁纸生产者所具有的那种求实精神。结果，这里所做的工作表面来看似乎毫无价值，实际上成绩斐然。”
他们与在哥本哈根的尼尔斯·玻尔以及哥本哈根学派是名副其实的物理学界少壮派。他们的研究偏重于理论物理，所以从表面上看并不像卡文迪许那样每天都有很多实在的工作，这里的工作大部分是分析和运算。
奥本海默到这里要比在卡文迪许适合多了，人也精神起来。空闲时他经常到15世纪的“黑熊酒店”喝鲜啤酒，在容克厅品尝松脆美味的维也纳肉排。
在哥廷根市政大厅前面的广场上有一座喷泉，喷泉中间有一个站在青铜花架内大小与真人相仿的美丽的青铜女郎。奥本海默与同学们约定，在哥廷根谁获得博士学位，谁就要跳过泉水池去吻那个青铜女郎的嘴唇。这是一次真正的洗礼，然后到容克厅去大吃一顿，庆祝一番。
奥本海默在哥廷根有声有色的学习生活中取得了惊人的进步。剑桥哲学学会同意发表他的两篇论文《论转震光带的量子理论》和《论二体问题的量子理论》，这为他开辟了道路，他的博士学位论文是《论连续光谱的量子理论》，用德文发表在权威性的《物理杂志》上。他与他的导师玻恩一起建立起了分子量子理论。包括学位论文在内，奥本海默自1926年到1929年共发表了16篇论文。这16篇论文使他成为具有国际声誉的青年理论物理学家。
1929年，奥本海默回到美国。他回家时已经是一个充满自信的人了。他的母校哈佛大学给他提供工作，新成立的加州理工学院也为他提供工作，而他对伯克利的加州大学特别感兴趣，于是决定同时去伯克利加州大学和加州理工学院执教。
在伯克利他不仅个人成了著名的理论物理学家，而且以非凡的授课艺术激发起一大批青年学子对理论物理的热情，成为美国理论物理学派的创建者和学科领袖。正是这一切奠定了他成为美国原子弹研制的领导人的基础。
