這樣，在1853年，肖萊馬來到烏姆施塔德城的“林登堡藥房”，當上了學徒工。烏姆施塔德城是個山清水秀的地方，在城外有覆蓋了各種樹木的高山。喜好觀察與研究的肖萊馬，經常在此地登山遠足，同時采集了許多植物標本，對於藥用植物，他更是潛心研究，由此，他打下了良好的植物學知識的基礎。這些知識對於他在以後關於藥物學與化學的研究，起到了極大的幫助。
野外考察的同時，肖萊馬還利用藥房便利的實驗條件，進行了廣泛的化學實驗與物質分析，這些都為他的化學研究打下了堅實的基礎。兩年半以後，他的學徒期滿，經過考試取得了藥劑師助手的資格。
不久，肖萊馬離開了烏姆施塔德城，來到了古老的德國城市海德堡，在這裏的一家“施萬藥房”當配藥助手。工作之餘，他經常去海德堡大學旁聽著名化學家本生（1811—1899）的化學講座。用後代人的評論來說：“本生的講課對肖萊馬的影響是如此之大，以至他決定放棄配藥助手的職業，而渴望研究化學知識的心情久久不能平靜下去。使他終於去了基森大學，為的是係統掌握實驗知識。”
1859年春，被化學研究強烈吸引的肖萊馬，考入了著名化學家李比希正在執教的基森大學化學係。他在李比希的學生威爾教授的指導下，學習了為他後來的研究打下初步基礎的分析化學課。肖萊馬的一位大學同學，後來成為著名製藥師的施克裏伯回憶這時的情況時說道：“肖萊馬與我是夏季學期的同學，我研究製藥，他則專心研究基礎化學。我們是在實驗室裏共同工作時認識的。在那以後，我們相互交換心得，很快就成了知己。與肖萊馬相處的那段日子，是我年輕時最美好的時光，因為他是一位可親而又可信的朋友，肖萊馬學習非常努力，對自己要求很高；在我們的同學中，他對化學專業的掌握是最好的。但他對別人極其謙遜，同學們對他有求，他都必應；他為人很熱情，在化學實驗時，他能夠幫助別人知道自己的分析哪裏有缺點，定量分析計算時哪裏有錯誤。他對我個人有很大幫助。當時威爾教授很賞識他的知識與為人，所以常讓他在實驗室中做些個人的額外工作。”
在基森大學學習期間，肖萊馬還選修了德國化學史家赫爾曼·柯普的化學史講座。早在中學時，肖萊馬就很喜歡曆史學，聽了柯普的講座以後，更激起了他對化學史的濃厚興趣，並且這種興趣一直保持到了他的晚年。
盡管這位來自達姆斯塔德的貧寒學生在基森大學不知疲倦地學習，而且初步顯露出他的化學才能，但是由於沒能夠籌措到第二學期的學費，到了1859年8月，肖萊馬不得不離開基森大學，另謀出路。
就在這個關頭，肖萊馬接到了中學同學吉特馬從英國寄來的一封信，信中說由於種種原因，他辭去了英國曼徹斯特市歐文斯學院化學教授羅斯科的“私人助手”職業，所以正需要有人來接替他。他問肖萊馬，是否願意從事這一職業。
這封信的到來，對於前途渺茫而又情係化學的肖萊馬來說，無疑是一個極大的福音。於是他產生了去英國的念頭。在與父母商量後，1859年秋天，這位25歲的青年人離開了祖國，渡過英吉利海峽，來到了曼徹斯特這個大工業城市謀生。這樣，就開始了他一生中一個新的階段，從此他在英國定居下來，直到去世為止，長達33年。
來到英國後，肖萊馬利用歐文斯學院提供的就業機會，不知疲倦地工作，他把工作掙來的錢除了維持生活以外，全部投入到了化學研究中去。同時，他充分利用了學院的化學實驗室，經常是加班加點進行各方麵的實驗，有時甚至一整天不出實驗室的門。
在羅斯科教授的化學實驗室裏，肖萊馬協助了教授從事的測定恒沸點稀酸溶液組成的專題研究。兩年以後，由於出色的工作，肖萊馬成為歐文斯學院化學實驗室的正式助手。在擔任正式助手以後，肖萊馬開始給學生講化學實驗課，並輔導他們的有機化學，同時開始了他自己在有機化學領域內獨立的科學研究。
從1861年開始，肖萊馬連續在有機化學，尤其是脂肪烴化學領域內，從事了一係列理論與實驗的研究，並分別以英文和德文在化學刊物上發表了60多篇論文與多種專著。他的這些論文大部分是有機化學方麵具有開創意義的經典研究成果。這些研究成果，使得他成為有機化學領域內的權威人物。
由於在化學研究上的卓越成就，1871年肖萊馬被選為英國皇家學會會員。1874年，在歐文斯學院和英國各大學中首次開創了有機化學講座，肖萊馬成了主持這個講座的有機化學教授，並且連任18年。1878年，他又被美國科學協會選為會員。
60年代初期，肖萊馬在曼徹斯特與恩格斯結識，後來又通過恩格斯的介紹在倫敦與馬克思相識，並很快與他們兩人成為親密的朋友。受馬克思與恩格斯的影響，肖萊馬逐漸樹立了共產主義信念。隨著德國工人階級政黨——德國社會民主黨的建立，卡爾·肖萊馬與弟弟路德維希·肖萊馬，都成了德國社會民主黨的最早一批黨員。這樣，肖萊馬不僅在科學上有著明確的前進方向，同時在政治信仰上也有了堅定的信念，此後他一直積極活動在工人運動的最前列。