留學生們到達美國後，便開始了預定目標的學習。清華學校規定他們中80%學理科，20%學文科。1909年第一批庚款留美的47名學生中，學理工農礦的有39人，攻文學、教育、心理、財政經濟的僅八人；1910年第二批庚款留美的70名留美生則只有八人學文科，其餘都是學工程、理化和農醫等類。清華學校對庚款留美生的學業分布也有一個測算，「學理、工、商、農、醫的佔62.7%(其中學工程的佔31.3%，學理科的佔9.9%，學商科的佔11%，學農醫的佔10.5%)，學文史哲的佔7.2%，學政法的佔24.5%(包括政治、經濟、法律、教育、新聞等，其中以學經濟的比例最大，佔9.6%)，學軍事的佔2.2%」。這種留學生中的自然科學熱，很大程度是受美國的影響。當時，美國在教育領域中貫徹實用主義的原則，科學技術被視為國家建設成敗的關鍵，因此，留學生在美國自然受此風氣熏染。他們認為美國以實業立國，幅員遼闊，土地肥沃，金銀銅鐵各種礦產極為豐富，因而只有在工藝工程方面達到先進，才能發掘天然的富產，於是留美生中學工程的就最多了。同時，中國國內滿清政府很快垮台了，民國政府成立，新政權面臨的是建設新國家的問題，發展實業、引進科學以救國立國成了當時流行的思潮，留美生們也明確提出「中國今日為建設時代，政治須建設，法律須建設，鐵路、開礦、實業及一切之事莫非建設問題。故吾人生於今日，……不可不注重實用之學。」因而，留美青年和20世紀初年的留日青年在認識上不同，留日學生通過留學開展反清革命活動；留美生把留學和經濟建設結合起來，這是清末民初留學美國的一大特色。1918—1923年留學美國的清華學生李濟回憶道：「一般說來，做留學生的都想學點什麼，以備回國服務，很少(我不能說沒有)預備在美國居住下去。所以在那個時候，每個留學生都有一定的目的，這個目的就是在美國學一點新東西，預備回國以後，能對社會、對國家盡一點責任。」
留美學生大都學習刻苦，成績優良。茅以升考取清華留美生之前是唐山路礦學堂的畢業生，他到美國康乃爾大學研究院留學，僅用一年時間就獲得了碩士學位，令教授們讚嘆不已。而且，由於他入學考試特別優秀，校長親自宣布：今後，凡是唐山路礦學堂畢業來康乃爾大學研究院的，可以免試註冊。茅以升為後來者開拓了免試入學的道路。畢業後，他謝絕學校的挽留，來到匹茲堡一家橋樑廠實習。在那裡，他一邊學習製圖、設計，到構件廠、裝配工地做工，一邊利用業餘時間上匹茲堡加利基工學院的夜校，攻讀博士學位。由於他勤奮、刻苦，比學校規定的時間提前一年修滿了學分。以後，又經過1919年整整一年，他白天黑夜地研究橋樑「第二應力」，撰寫博士論文。在年底順利通過了博士論文答辯，成為加利基理工學院的第一個工學博士，當時年僅24歲！侯德榜1913年由清華學校赴美麻省理工學院留學，1917年獲化學工程學士學位，後入柏拉圖學院學習製革，獲製革化學師文憑。1919年他又到哥倫比亞大學學習化學工程，兩年後即獲博士學位。他們身上，體現了當時留美生努力求學，以圖科學救國的抱負。
在美學習期間，學生們還積極開展各種文體活動，以豐富自己的留學生活。他們經常組織英文演說會，訓練運用英文的表達能力。胡適曾是這方面的積极參加者，為此他還在大學二年級時專門選了一門訓練演講的課。他曾這樣說：「公開講演也是個最好的機會，讓一個人去訓練他自己的寫作，訓練他作筆記的系統化。這種不同形式的表達方法可以強迫一個人對一項命題去組織他的感想、觀念和知識；這樣可使他以寫作的方式對他要表達的題目了解得更清楚。所以我對公開演講的好處，曾撰一簡單格言來加以概括，這格言便是：要使你所得的印象變成你自己的、最有效的法子是記錄或表現成文章。」胡適在演講方面收益較大，到四年級時，他獲得卜郎吟論文獎，這項榮譽由中國留學生取得，在新聞界引起了震動。當時紐約各報都加以報道，這一來社會各界團體都來請他去演講，甚至美國文化重地波士頓市內的「卜郎吟學會」也來邀請他去演講。留美學生們經常聚會，舉辦音樂會、舞會，還自編自演話劇，同時組織體育活動，自辦運動會，舉行足球、網球、棒球等比賽，體現了他們活潑向上、追求健康的學習生活的精神風貌。這也促進了他們對美國社會的深入了解。這正如1910年的《留美學生年報》所指出的：每次聚會收益頗大，「其尤著者有三，(一)大會之後，精神——振作，友誼——堅固，素不相識者，亦因大會而相知；(二)各校學生會，因運動及款待及演說辯論等之競爭，而團體愈益堅固，明年之預備愈益周密；(三)美國尊敬中國人之心，亦大增加。」當時，從1902年到1918年，留美學生成立了東美留學生會、西美留學生會、留美學生勤學會、公義社、中國科學社等團體，其中尤以中國科學社影響最為深遠。
中國科學社是由康乃爾大學的幾位中國留學生髮起的，起初是《科學》月刊社，發起者們希望通過辦雜誌介紹美國的科學技術來提高中國民眾的科學文化水平，以達到促進中國繁榮的目的。在此基礎上他們於1915年10月成立了中國科學社，推任鴻雋為社長。從1916年開始，中國科學社幾乎每年舉行一次年會以進行學術討論，聯絡社員感情、商議社務等。為了鼓勵青年科學工作者奮發向上，自1919年起，科學社設立了各種獎金，如高君韋女士紀念獎金、愛迪生電工獎金、何育傑物理學獎金等等，大大激發了留學生向科學進軍的勇氣和決心。中國科學社的活動一直延續到1959年秋，它對普及科學知識、培養科技人才、推動科學事業的發展以及對科學教育的提倡、教育科學研究的開展都起了積極的作用。
除此之外，留美學生還在暑期開展勤工儉學活動以支付學費和生活費。他們從餵豬、除糞、耘草等農事工作到送水、洗器具、送信、洗衣等雜活都干，大大鍛煉了適應生活的能力。
留學生裘昌運在美國威斯康辛大學攻讀農科，利用暑假到美國農村參加勞動，在給父親的信中，談到這一經歷的感受：
暑假解館，已至半月，跋涉東西數百里，乃來鄉就役……每日十二小時之勞動，自揣覺有所不逮，即半日工作，自早及午，已覺勞瘁不堪，午後惟有休養，即腦力亦不堪復用。農事之綱目，則自糞除、飼豕以至耘草收穫，不下數十種，兒意在知其大概，始事之言明不願專司一事，故每日必易其工，他如取水、滌器、送信、浣衣等雜役，亦間亦為之……現在所知農事品目漸夥〔huo火〕……近日酷暑，每至百度(華氏)以上，幸鄉間風吹不絕，且極乾燥，雖熱而無所不適，惟烈日之下，膚色漸由深黃而轉炭黑，面部微有瘦削，而肌肉大增，雖不雅觀，未始不好現象也。
裘昌運在艱苦的勞作體驗中，得到了較大的收穫。
留美學生以其聰明才智和刻苦學習的精神，在學業上取得了較為優異的成績，獲譽很高。梁啟超曾於光緒二十九年(公元1903年)到美國遊歷，在他的《新大陸遊記》中這樣稱讚道：「美洲遊學界，大率刻苦誠實，孜孜務學，無虛囂器，而愛國大義，日相切磋，良學風也。」1909年，在威爾斯頓大學學習的10名中國學生，「一年內得一等與二等榮獎者各五名」。到1911年，在美國留學的650多名中國學生中就有323名大學畢業，23名專門學校畢業，72名技校畢業。留學生王寵惠在耶魯大學獲博士學位，是法律科畢業考試第一名。在接受畢業證書時，他代表全校4000多人致答詞，這是中國最大的榮譽。胡棟朝在康乃爾大學獲工學博士學位，尤其精通鐵路學、橋樑學方面的知識技能，得到教師們的稱讚，並被選入式馬西會，「式馬西」是希臘語「認真研究」之意，選入該會，是為了鼓舞學者研究新的理論，當時考入康乃爾大學的學生共3200多人，被選入這個會的不過49人，胡棟朝就居其一，足以為中國自豪。1911年哥倫比亞大學舉行畢業典禮，中國學生獲博士學位的有三人，碩士學位的六人，學士學位三人，這是哥倫比亞大學歷史上從來沒有過的。從1917、1918年所彙編的《游美同學錄》來看，90%以上的留美生獲學士學位，很多人獲碩士學位和工程師資格，有35人獲博士學位。這之後，還有更多的留美生獲得博士、碩士及其他學位。這些學生回國後都成為建設方面的中堅力量。胡適、廖世承等庚款留美生回國後，竭力鼓吹實施新教育，建立新學制。國民政府於1922年11月公布的「六·三·三·四」的新學制，就是在他們的影響及積極的推動下，模仿美國的「六·三·三」制而來，這一學制體系影響很大，比較適合中國當時的教育實際，一直被沿用到1949年全國解放。24歲獲博士學位的茅以升，回國後任天津北洋工學院院長。他主持修造了杭州錢塘江大橋，這座兩層聯合