陳寅恪回國後，在家調養了一年多，於1907年插班考入上海復旦公學，系高中文化程度，同班同學中有後來著名的氣象科學家竺可楨和留學德國獲海德堡大學史學博士的徐子明。徐氏是江蘇宜興人，戊戌變法時期贊助維新的徐致靖、徐仁鑄父子，就是宜興徐氏家族的人。徐仁鑄曾在陳寶箴為巡撫時，任湖南學政，參預新政。創立於1905年的復旦公學，是清末公立新式學堂中頗具現代性的一所學校，該校招收國學功底較深的學生，用英文教授高等普通科學，以使其能直入歐洲專門大學作為辦學宗旨。除了英文，該校還規定學生應兼習德文或法文兩種外語中的任何一種。而校內所開設課程，除國文、史地等常規課程外，還包括了像拉丁文那樣一般新式學堂並不教的西方古典語言課。陳寅恪在上海復旦公學孜孜不倦地學習著英、法、德等國語言，為他後來留學歐美各國打下了堅實的語言基礎。
1909年陳寅恪從復旦公學畢業，在親友的資助下，赴德國留學，於1910年考入了柏林大學學習語言文學。雖然遠離故土，但陳寅恪的心中卻時時牽掛著祖國的安危。1910年日本強行合併朝鮮，激起了他極大的義憤，揮筆寫下「驚聞千載箕子地，十年兩度遭屠剖。……興亡今古郁孤懷，一放悲歌仰天吼」的詩句，表達了對朝鮮人民遭受奴役命運的憤慨和對祖國命運的擔憂。
1911年春，陳寅恪因腳氣病複發，需要易地療養，於是在挪威旅遊了二十多天。泛舟北海，挪威旖旎的風光收於眼底，迷人的景色令陳寅恪心曠神怡，但想起在故鄉乘黃篾舫遨遊的種種樂趣，淡淡的思鄉之情又不禁湧上心頭。
這年秋天，他又轉入瑞士蘇黎世大學學習。瑞士的冬景格外美麗，陳寅恪曾作《大雪後乘火車登瑞士恩加丁山頂》詩一首：
造物作畫真奇恢，下筆不假丹與煤。
粉白一色具深意，似為俗眼揩塵埃。
車行蜿蜒上絕壁，蒼龍翹首登銀台。
杉松夾道戴冰雪，風過撞擊鳴瓊瑰。
碧泉噴沫流澗底，恍若新瀉葡萄醅。
直須酌取供渴飲，惜我未辦玻璃杯。
我生東南山水窟，亦涉弱水游蓬萊。
每逢雪景輒探賞，何曾見此千玉堆。
車窗凝望驚嘆久，鄉愁萬里飛空來。
詩中描寫了山頂雪景之美，同時抒發了他對祖國的深深眷念。
在蘇黎世大學期間，陳寅恪認真鑽研了德文原版《資本論》，可算得上中國人中閱讀德文原版馬克思經典著作的第一人。
辛亥革命爆發後，陳家從南京逃難到上海，陳寅恪一方面挂念著家人，另一方面由於留學的經費不足，不得不於1912年春天從瑞士返抵上海。回國後的陳寅恪切實感受到了國內政局的巨大變化。辛亥革命迫使宣統皇帝在1912年2月12日頒布了退位詔書，從而結束了中國兩千多年的封建帝制。陳寅恪親眼看到了清王朝被推翻後的社會變革，而深為中國傳統文化浸染的他，加上家庭與清王朝的關係，其心情的複雜程度可想而知。他在一首答北京友人的詩中發問：「優遊京洛為何世，轉徙江湖接勝流。」接著又抒發出「西山亦有興亡恨，寫入新篇更見投」的世道滄桑的感慨和悲涼幽憂之情懷。
不久，陳寅恪籌足了學費、生活費、路費等各種留學的費用，再度前往歐洲，於1913年春考入了法國巴黎高等政治學校社會經濟部學習。在這裡他系統地學習了西方政治經濟學的知識，初步形成了從政治、經濟、文化等方面分析社會現象的思維方式，這為他後來在隋唐史的研究中取得超越前人的學術成就，奠定了基礎。例如他研究佛教就很注意其與隋唐政治的密切關係。在1935年撰寫的《武曌與佛教》一文中，陳寅恪指出了隋文帝、隋煬帝與佛教的深厚關係，以及僧徒藉武曌恢複自李唐開國後所喪失的權勢，而武曌則轉借佛教教義鞏固其政治地位的史實，從而得出「宗教與政治終不能無所關涉」，「雖曰宗教史，未嘗不可作政治史讀也」的結論。又如，陳寅恪對於李唐王朝衰亡的原因也從政治、經濟、階級關係等多個角度進行了分析。首先，他認為關中本位政策被破壞後，唐代統治集團內部發生了明顯變化，以科舉入仕的寒門庶族和以武力起家的邊疆藩鎮逐漸控制了中央和地方的權利，形成兩種對立的離心力。其次，安史之亂後，李唐王朝的經濟依賴東南八道財稅的供給，黃巢起義將東南區域的經濟幾乎全部破壞，又斷絕了汴路、運河的交通，李唐政權遂土崩瓦解。
陳寅恪在巴黎學習期間的另一收穫則是通過王國維先生結識了20世紀歐洲著名的東方學家伯希和（pelliot）。1909年伯希和為一睹敦煌文書真跡來到中國，得以在北京與王國維相識，王國維對伯希和的學術讚不絕口，兩人遂得相互論學往來。伯希和早年畢業於法國國立東方語言學校，是著名漢學家沙畹的高足。沙畹，即chavannes，是學術界公認的19世紀末20世紀初世界上最有成就的中國學大師，被譽為國際漢學巨擘。他畢業於法國高等師範學院，1893年任法蘭西學院教授，1904年任法國學士院會員，歐洲權威東方學刊物《通報》主編之一。精研中國歷史，譯註了大量中國史籍，如《大唐西域求法高僧傳》、《西突厥史料》及《補編》、《後漢書·西域傳》等。在敦煌學研究方面的成果有《斯坦因在東突厥斯坦沙漠中發現的漢文文書》等。其佛學造詣頗深，著有《大唐西域求法高僧傳法譯》、與萊維合譯《悟空入竺記》、《比爾英譯宋雲使西域記之法譯》、《法譯五百譬喻選集之法譯》、與萊維合編《護法十六羅漢》等。1917年曾到中國調查雕刻碑銘，著有《北中國訪古志》、《泰山志》。在《北中國訪古志》第二部佛像雕刻篇中，收錄了雲岡、龍門、鞏縣石窟的圖版解說。伯氏精通漢、藏、蒙、突厥等14種語言，主攻方向是中亞研究，在其所寫的漢學論文中有一半是關於西北史地的。他對於中亞地區的各種古代語文也有較深的研究，並藉助這些語言工具，研究所見到的各種東方典籍和文物，在當時的東方學界有很高的聲譽，並被「全世界治漢學者奉為祭酒」。1908年2月，伯希和從敦煌莫高窟千佛洞里取走了六千餘卷極其珍貴的五至十一世紀的手抄卷子，以此為基礎在法蘭西學院獲得了一個以講授敦煌文獻為主要內容的教授席位。陳寅恪少時即受家庭影響，對以沈增植為代表的晚清經世致用派十分推崇。沈氏痛感邊疆領土主權遭受列強威脅，便注重探究邊疆史地，以開發邊地，鞏固國防。這種風氣對陳寅恪也有所感染。但國人研究西北史地，由於欠缺必要的語言知識，對漢文文獻以外的豐富材料一直不能很好地利用，從而極大地限制了這門學問的進一步發展。而西方學者的東方學研究正好可以在這方面彌補國內西北史地之學的缺失。與伯希和結識以後，陳寅恪第一次有機會大量接觸到以敦煌文獻為主的各種新發現的材料，學術眼界大為拓寬，而伯希和利用其廣博語言知識處理各種新材料的本領，更是給陳寅恪留下了極其深刻的印象，引發了他探索西北史地之學的慾望。
作為一個掠奪者，伯希和的強盜行徑無疑是卑劣可恥的。但作為一個研究東方文化的專家，伯希和的治學方法和研究興趣對陳寅恪的影響是十分巨大的。陳寅恪在學成回國後執教清華國學研究院的近十年間，其治學路數在很大程度上沿襲了伯氏。具體來說：
第一，在敦煌學研究方面，伯希和著有《摩尼教流行中國考》等篇，因此有「中國摩尼教研究的先驅」之稱。而陳寅恪有感於當時中國敦煌研究的落後，嘆為「吾國學術之傷心史也」，來喚醒和激發國人自強不息，「勉作敦煌學之預流」，「襄進世界之學術於將來」，為祖國爭得榮譽。他不僅首創「敦煌學」一詞，而且指明了包括摩尼教在內的研究方向，並預言敦煌學將成為世界顯學。敦煌遺書中份量最多的是佛經卷子，並有部分講唱佛經和佛經故事的變文。陳寅恪不僅發現了宋明小說、寶卷彈詞等文學與佛教經典之間的源流，還具體研究了佛經故事在傳布過程中的變化形態，他指出，寺院講經多引故事，而故事一經演講，便會隨其說者聽者本身之程度及環境而生變易。他曾以《西遊記》為例，對孫悟空、豬八戒、沙僧的原型進行了考證。
此外，陳寅恪還常以敦煌經卷證史，用敦煌資料釋詩。他曾利用寫經題記年代最多的隋朝和唐高宗、武則天時期來求證史書，結果發現與史籍關於當時佛教盛行、佛經廣為流傳的記載是完全相符的，這就為史書記載的可信程度提供了依據。陳寅恪還運用《敦煌本心王投陀經及法句經跋》解釋了白居易的「身委逍遙篇，心付頭陀經」和「法句與心王，期君日三複」等詩句。
另外，他還注意運用史書記載來解決敦煌資料中提出的問題，以史解經、以史考詩，以及將佛經典籍與變文故事、民俗小說結合起來進行比較研究，以考察中國文學的源流變化，這些治學的方法都為後來的敦煌學研究