李四光五歲時，他的祖父病逝了。這一年，正是1894年，中日甲午戰爭爆發，彈丸之地的日本竟然打敗了自稱天下大國的清王朝，在李四光的幼小的腦海裏刻下了深深的烙印。就在這一年，李四光開始跟著一位叫陳二爹的老先生啟蒙。一年後，轉到父親李卓侯執教的私塾去念書，一直讀了7年。他好學、多思，是個挺會讀書的學生，這是包括李卓侯在內都承認的。
李四光讀書很勤奮。當時私塾裏教的都是四書五經一類的書。先生教課總是照本宣科，不加解釋，光叫學生死記硬背。學生隻知背誦，默寫，並不明白書中的意思。背書時，先生正襟危坐，道貌岸然；學生必須恭恭敬敬、筆筆直直地背對先生站著。背不出來就打手心，打屁股，罰跪香（跪在有棱角的板子上，直到點完一根香）。因為那時的先生和家長都相信“棍子底下出人才”。封建禮教象“緊箍咒”一樣，桎梏著天真爛漫的孩子們。盡管這樣，在私塾的學生中，李四光是最肯用功學習的。每天，早飯前，朗讀和背誦書文；飯後，聽講課，練毛筆字或作文寫詩；晚間，同哥哥伯涵一起挑燈學習，直至深夜。有時李卓侯因事外出，學生們便趁機玩了起來。甚至把桌子搭成戲台，鬧翻了天，可李四光從來都不參與，仍獨自誦習功課，由於他很用心，加上理解力和記憶力都很好，所以凡是教過的功課，他都能很快地背誦和默寫。
李四光從小就愛動腦筋，凡是遇到他不能理解的事物，他總要追問到底，直到得到滿意的答案為止。在下張家灣的村邊，有一塊很大的石頭，這是李四光和同村的孩子們捉迷藏的地方。對於這塊石頭，李四光曾經產生過疑問：為什麼周圍都沒有這種石頭，它是從哪裏來的呢？他很久都沒有得到滿意的解釋。直到三十多年後的1933年，他在《揚子江流域之第四紀冰期》一文中還提到了這件事，認為可能是一塊冰川漂礫，即在冰川盛行時從遠方運來的巨大的礫石。從這件事反映了李四光在少年時代已顯露出了對探索大自然秘密的特殊的興趣。
懷疑精神，或者叫好奇心，是每個有獨創科學家的優秀品質。居裏夫人的女兒曾把這種精神譽為“學者的第一美德”。巴克紮克說：“打開一切科學的鑰匙，都毫無異議地是問號”。革命導師馬克思也把“懷疑一切”當作自己的座右銘。哥白尼的太陽中心說，就是出於對亞裏士多德——托勒密的地球中心論的懷疑；達爾文就是不相信聖經中宣揚的上帝創世說和物種不變論，而提出了進化論。李四光從小就具備了這種懷疑精神、探索精神，正是這種“學貴善疑”的治學精神，貫穿於他以後的科學實踐之中，才使他成為我國現代史上傑出的科學家。
1920年，李四光結業於英國伯明翰大學，在歸國途中，他在巴黎留法勤工儉學會上的演講中提出：“我們看世界上的很多人，把世界上的事，往往平常看過，甚至講到學術，大家也就不知不覺守一種人雲亦雲的態度，人類進步甚慢的大原因，恐怕就在這裏。”他還說：“凡遇著新境象新學說，切不可為它們所支配，為它所奴隸。我們還要分析它，看它是怎麼一回事，既到學術場中，心隻管細，膽隻管大，拿定主意，就是衝煩錯亂的世界，天經地義的學說，都不能嚇倒我們。”這段話充分體現了李四光踏上科學征途時的膽識和不因循守舊墨守成規的治學觀點。
李四光是在英國學的地質，那裏是傳統地質學的發源地，那時正是賴爾的均變說戰勝居維葉的災變說取得統治地位，“將今論古”的原則被人們普遍接受的時候。李四光在這樣一個環境中，能不受當時流行觀點的約束，對均變說和將今論古的原則，既肯定它們的效用，也指出它們的不足，這是十分難得的。1923年，他在《中國地勢變遷小史》談到均變論時說：“我們現在不能不問這種勻和的變更是無始無終的，還是到了一定過去的時代勻和的原則就不適用了？如若從今日起，向過去推去，推到一定的時代，當時變更的結果與現今戴然不同，那時致變的態度，不要為已成的學說壓倒”。他認為：“科學的存在，全靠它的新發現，如果沒有新發現，科學便死了”。正是在這種思想的指導下，李四光不滿足傳統地質學理論、原則對地質現象的解釋，不滿足於單純從沉積建造提供的資料去探索地殼運動，這便成為他在地質科學征途中不斷創新的思想基礎。