讀中學時，來自社會和家庭的革命思潮不斷灌注進茅以升的腦海，使他漸漸懂得了一些革命道理。1907年，同盟會的秋瑾和徐錫麟相繼壯烈犧牲。消息傳到茅以升就讀的商業學堂時同學們無不義憤填膺，茅以升登台演講，革命情緒最為高昂，引起全校關注。1908年，慈禧太後和光緒皇帝在北京相繼去世，清王朝下令全國舉喪。學校命令各班學生去祭堂舉哀。茅以升非常氣憤，當眾把辮子剪掉。事後，學校給茅以升記大過一次，而他卻毫無畏懼感，置之不理。
1911年，茅以升在江南中等商業學堂畢業，便揮筆寫下“少年立誌，青年成才”八個字自勉。經過5年的中學生活，茅以升的知識大有長進，但他仍覺得不足，暑假便和好友裴榮北報考清華學堂，因誤考期，改考唐山路礦學堂預科而被錄取，成績名列前茅。1911年10月，武昌起義爆發，革命風暴席卷全國，學校宣布停課。
1912年元旦，孫中山在南京就任中華民國臨時大總統。年初，唐山路礦學堂複課後，茅以升見裴榮等同學離校參加革命軍，他也有此念頭，於是把想法告訴了母親。母親回信說：“革命是對的，但要先學好本領，否則我就不認你這個兒子。”茅以升謹遵母親教誨，但仍有許多問題縈繞腦際，孫中山先生的演說給他指點了迷津。孫中山指出，國民革命需要兩路大軍，一路大軍舉行起義，建立民眾政權；另一路大軍則學習西方先進科學技術，改變我國貧窮落後的麵貌……聽了孫中山先生的演說，茅以升豁然開朗。他想：在土木工程各專業中，橋梁一門需要數學和物理的知識較多，施工最艱難，技術最複雜，再加上對秦淮河上事故的印象，他毅然決定選擇橋梁專業，立誌為祖國的橋梁事業建功立業。
為實現孫中山先生的建國方略，奪回被帝國主義把持的鐵路和橋梁的修建權，使華夏大地的鐵路、公路四通八達，茅以升15歲就以優異的成績考入了唐山路礦學堂土木係。
這所學堂與眾不同，它有兩個顯著的特點：一是上課不發教科書，應做筆記；二是舉行不定期的考試。為此，年輕的茅以升不知付出了多少辛勤的勞動，灑下了無數辛勤的汗水。發憤讀書，刻苦鑽研，這是茅以升為自己提出的奮鬥目標。有時，課堂上一時未記下的，課後，茅以升就憑自己驚人的記憶逐一把它補上。
在大學五年裏，茅以升僅整理聽課筆記一項，就達二百餘本，共九百多萬字。辛勤的耕耘，終於結出了豐收的碩果。茅以升驚人的記憶力和善於學習的方法，使他的考試成績總是名列前茅，以優異的成績畢業於唐山路礦學堂。
在唐山的5年裏，茅以升經曆過無數次的考試，每次大考發榜，他都是全班第一名，這不得不歸功於他嚴謹的治學態度，井井有條的學習時間計劃表和兩百多本筆記。他常說：“有計劃一天10件事可以做好；無計劃5件事也完成不了！”他還說：“看一遍不如背一遍，背一遍不如寫一遍。人的四肢、頭腦越用越靈，不磨煉就會生鏽。”
1916年夏，茅以升在唐山畢業，同年考取清華大學官費留學研究生。茅以升由唐山保送錄取，派往美國康奈爾大學土木工程係。康奈爾大學是一所世界性學府，校內聚集著十幾個國家的留學生。茅以升是唐山工業專門學校第一個來該校注冊處報到的學生。該處主任說：“唐山這個學校從未聽過，需經考試方能注冊。”出乎他們的預料，茅以升的成績榮登榜首，為此，學校規定以後凡是唐山工業專門學校的畢業生可以免試直接入學。在美國留學的歲月裏，茅以升珍惜一分一秒的時間，刻苦學習，於1917年夏獲得碩士學位。卓越的成績使他深受導師賈柯貝教授（美國工程界著名人物）的器重，因而便介紹他到匹茲堡的一個橋梁公司去實習。在橋梁公司實習的一年半中，茅以升每天（除星期天）去上夜課，獲得白天上課一年的學分。隨後在1919年的全年中，他晝夜做論文。功夫不負有心人，年底，他的《橋梁框架結構之次應力》順利通過博士論文答辯，獲得了加利基理工大學的第一個工學博士學位。