這一時期，趙元任對自然科學開始發生興趣。他在課外自己做實驗。
在溪山小學學習隻有一年的時間，可是這一年對於趙元任確實太重要了，他開始走出私塾給人們劃定的狹窄圈子，不僅學習自然科學知識，係統地學習了英文，還參加了豐富多彩的課餘活動。
他自己把這一年稱為身心發展的轉折點。
從15歲到18歲，趙元任第一次離家，到南京的江南高等學堂預科學習。江南高等學堂實際上是一所專科學校，預科相當於高中，課程設置與普通中學差不多，隻是程度深多了。
這一時期，趙元任學習勤奮，興趣也更加廣泛。他經常自己做科學實驗，如在管子裏安裝兩個或三個透鏡，試造望遠鏡和顯微鏡；用鹽和冰塊兒做冷凍混合物。在天文學方麵，他的知識也不斷得到豐富，他對觀察彗星越發有興趣。他選修德文作為第二外語。他對中國的方言從小就產生了濃厚的興趣，在南京學習期間，跟同一房間的同學互學方言，又學會了福州話。年輕的趙元任已經逐漸顯露出他的語言天賦。
憑著中小學時期的勤奮學習和自身的天賦，他三年預科沒有完全讀完，就到北京住了一個春天，準備報考清華的留美官費生。為了應付考試，他在考試前幾個星期自修了拉丁文。1910年7月21日，他參加了在北京舉行的留美考試。這次考試是利用美國退還的庚子賠款作為留美的清華獎學金。1909年舉行了第一批考試，趙元任參加的是第二批。考試的科目總共有17門，中文、英文考試及格以後再考其他科目諸如有德文（法文和德文任選）、拉丁文、代數、平麵幾何、三角、立體幾何、希臘史、羅馬史、英國史、世界地理、物理、植物、動物、生理、化學等。考試科目雖然很多，但最重要的是中文和英文。作文題目是《不以規矩，不能成方圓》，英文作文題目是《借外債興建國內鐵路之利弊說》。這一批共錄取了70名留學生，趙元任以優異的成績名列第二。同榜中第一名是楊錫仁，竺可楨第28名，胡適第55名。
天道酬勤，堪稱博學大師
勤奮是當時看不見功效，日後卻使自己受益的人生成功途徑。勤奮的努力所能得到的回報，便是未來人生的知識與經驗的積累。博學大師趙元任，堪稱勤奮之楷模。
1910年7月趙元任取得了官費留學美國的資格，同年8月就動身到美國。這批留學生是由著名教育家、當時的遊美學務處教務長胡敦複護送的。首先到達舊金山，然後分送到各大學。趙元任被送到紐約州的康奈爾大學。同期考取的70名留學生有13位進入康奈爾大學，胡適也是其中的一位。
趙元任本來想學電機工程，在去美國的路上，胡敦複先生跟他講了理論科學和應用科學的關係，於是他決定學理論科學。他在康奈爾大學主修數學。經過四年的努力學習，1914年夏天他以優異的成績畢業，獲得理學學士學位。在這一段學習期間，數學和物理是他的主攻科目。他的數學和天文學成績特別優秀。數學得了兩個100分和一個99分，天文學得的是100分。據說，他的這兩門功課的成績是康奈爾大學曆史上保持了好幾年的平均成績的最高記錄。他還學習了哲學、邏輯、美國史、心理學、語音學、德文等課程。在物理課方麵，他選修過“機械之設計與建造”、“實驗物理最近之進展”、“機械學與熱力學”等課程。在大學初期，他的興趣已經擴大到語言學、哲學和音樂。
在語言學方麵，他除了繼續保持對中國方言的濃厚興趣，與同宿舍的胡明複互學方言外，還主動在賓夕法尼亞州的國際函授學校學習法文。當時正是世界語運動的初期，趙元任是“世界語俱樂部”的積極分子。他在學校裏選修了戴維森教授的語音學課程，學習了國際音標和比較係統的現代語音學理論知識，這給他後來的方言調查和語言學研究，打下了良好的基礎。
趙元任在康奈爾學習的第一年，就把興趣從數學轉到了哲學。
他選修了“哲學入門”、“現代哲學之發展”、“邏輯與形而上學研究”
等課程。他喜歡羅素，課外讀了羅素的許多著作，在日記裏曾說羅素的《哲學論文集》極符合他的想法。柏拉圖的《共和國》和休謨的《論文集》，他也認真閱讀過。
在這一時期，趙元任對音樂的興趣也與日俱增。他節衣縮食，從每月60元的獎學金（包括學費）中擠出錢買了一架舊鋼琴。
趙元任還對戲劇產生了興趣。他參加了留學生組織的戲劇活動，演出過鄧桑尼爵士寫的《失掉的帽子》。自己也寫過一個名叫《掛號信》的劇本，劇本反映了留學生在美國講英語的苦惱。
知識是無限的，生命是短暫的，若能敞開這短暫的生命去吸納無限的知識，生命無形中得以延伸。