陈寅恪回国后，在家调养了一年多，于1907年插班考入上海复旦公学，系高中文化程度，同班同学中有后来著名的气象科学家竺可桢和留学德国获海德堡大学史学博士的徐子明。徐氏是江苏宜兴人，戊戌变法时期赞助维新的徐致靖、徐仁铸父子，就是宜兴徐氏家族的人。徐仁铸曾在陈宝箴为巡抚时，任湖南学政，参预新政。创立于1905年的复旦公学，是清末公立新式学堂中颇具现代性的一所学校，该校招收国学功底较深的学生，用英文教授高等普通科学，以使其能直入欧洲专门大学作为办学宗旨。除了英文，该校还规定学生应兼习德文或法文两种外语中的任何一种。而校内所开设课程，除国文、史地等常规课程外，还包括了像拉丁文那样一般新式学堂并不教的西方古典语言课。陈寅恪在上海复旦公学孜孜不倦地学习着英、法、德等国语言，为他后来留学欧美各国打下了坚实的语言基础。
1909年陈寅恪从复旦公学毕业，在亲友的资助下，赴德国留学，于1910年考入了柏林大学学习语言文学。虽然远离故土，但陈寅恪的心中却时时牵挂着祖国的安危。1910年日本强行合并朝鲜，激起了他极大的义愤，挥笔写下“惊闻千载箕子地，十年两度遭屠剖。……兴亡今古郁孤怀，一放悲歌仰天吼”的诗句，表达了对朝鲜人民遭受奴役命运的愤慨和对祖国命运的担忧。
1911年春，陈寅恪因脚气病复发，需要易地疗养，于是在挪威旅游了二十多天。泛舟北海，挪威旖旎的风光收于眼底，迷人的景色令陈寅恪心旷神怡，但想起在故乡乘黄篾舫遨游的种种乐趣，淡淡的思乡之情又不禁涌上心头。
这年秋天，他又转入瑞士苏黎世大学学习。瑞士的冬景格外美丽，陈寅恪曾作《大雪后乘火车登瑞士恩加丁山顶》诗一首：
造物作画真奇恢，下笔不假丹与煤。
粉白一色具深意，似为俗眼揩尘埃。
车行蜿蜒上绝壁，苍龙翘首登银台。
杉松夹道戴冰雪，风过撞击鸣琼瑰。
碧泉喷沫流涧底，恍若新泻葡萄醅。
直须酌取供渴饮，惜我未办玻璃杯。
我生东南山水窟，亦涉弱水游蓬莱。
每逢雪景辄探赏，何曾见此千玉堆。
车窗凝望惊叹久，乡愁万里飞空来。
诗中描写了山顶雪景之美，同时抒发了他对祖国的深深眷念。
在苏黎世大学期间，陈寅恪认真钻研了德文原版《资本论》，可算得上中国人中阅读德文原版马克思经典著作的第一人。
辛亥革命爆发后，陈家从南京逃难到上海，陈寅恪一方面挂念着家人，另一方面由于留学的经费不足，不得不于1912年春天从瑞士返抵上海。回国后的陈寅恪切实感受到了国内政局的巨大变化。辛亥革命迫使宣统皇帝在1912年2月12日颁布了退位诏书，从而结束了中国两千多年的封建帝制。陈寅恪亲眼看到了清王朝被推翻后的社会变革，而深为中国传统文化浸染的他，加上家庭与清王朝的关系，其心情的复杂程度可想而知。他在一首答北京友人的诗中发问：“优游京洛为何世，转徙江湖接胜流。”接着又抒发出“西山亦有兴亡恨，写入新篇更见投”的世道沧桑的感慨和悲凉幽忧之情怀。
不久，陈寅恪筹足了学费、生活费、路费等各种留学的费用，再度前往欧洲，于1913年春考入了法国巴黎高等政治学校社会经济部学习。在这里他系统地学习了西方政治经济学的知识，初步形成了从政治、经济、文化等方面分析社会现象的思维方式，这为他后来在隋唐史的研究中取得超越前人的学术成就，奠定了基础。例如他研究佛教就很注意其与隋唐政治的密切关系。在1935年撰写的《武曌与佛教》一文中，陈寅恪指出了隋文帝、隋炀帝与佛教的深厚关系，以及僧徒藉武曌恢复自李唐开国后所丧失的权势，而武曌则转借佛教教义巩固其政治地位的史实，从而得出“宗教与政治终不能无所关涉”，“虽曰宗教史，未尝不可作政治史读也”的结论。又如，陈寅恪对于李唐王朝衰亡的原因也从政治、经济、阶级关系等多个角度进行了分析。首先，他认为关中本位政策被破坏后，唐代统治集团内部发生了明显变化，以科举入仕的寒门庶族和以武力起家的边疆藩镇逐渐控制了中央和地方的权利，形成两种对立的离心力。其次，安史之乱后，李唐王朝的经济依赖东南八道财税的供给，黄巢起义将东南区域的经济几乎全部破坏，又断绝了汴路、运河的交通，李唐政权遂土崩瓦解。
陈寅恪在巴黎学习期间的另一收获则是通过王国维先生结识了20世纪欧洲著名的东方学家伯希和（pelliot）。1909年伯希和为一睹敦煌文书真迹来到中国，得以在北京与王国维相识，王国维对伯希和的学术赞不绝口，两人遂得相互论学往来。伯希和早年毕业于法国国立东方语言学校，是著名汉学家沙畹的高足。沙畹，即chavannes，是学术界公认的19世纪末20世纪初世界上最有成就的中国学大师，被誉为国际汉学巨擘。他毕业于法国高等师范学院，1893年任法兰西学院教授，1904年任法国学士院会员，欧洲权威东方学刊物《通报》主编之一。精研中国历史，译注了大量中国史籍，如《大唐西域求法高僧传》、《西突厥史料》及《补编》、《后汉书·西域传》等。在敦煌学研究方面的成果有《斯坦因在东突厥斯坦沙漠中发现的汉文文书》等。其佛学造诣颇深，著有《大唐西域求法高僧传法译》、与莱维合译《悟空入竺记》、《比尔英译宋云使西域记之法译》、《法译五百譬喻选集之法译》、与莱维合编《护法十六罗汉》等。1917年曾到中国调查雕刻碑铭，著有《北中国访古志》、《泰山志》。在《北中国访古志》第二部佛像雕刻篇中，收录了云冈、龙门、巩县石窟的图版解说。伯氏精通汉、藏、蒙、突厥等14种语言，主攻方向是中亚研究，在其所写的汉学论文中有一半是关于西北史地的。他对于中亚地区的各种古代语文也有较深的研究，并借助这些语言工具，研究所见到的各种东方典籍和文物，在当时的东方学界有很高的声誉，并被“全世界治汉学者奉为祭酒”。1908年2月，伯希和从敦煌莫高窟千佛洞里取走了六千余卷极其珍贵的五至十一世纪的手抄卷子，以此为基础在法兰西学院获得了一个以讲授敦煌文献为主要内容的教授席位。陈寅恪少时即受家庭影响，对以沈增植为代表的晚清经世致用派十分推崇。沈氏痛感边疆领土主权遭受列强威胁，便注重探究边疆史地，以开发边地，巩固国防。这种风气对陈寅恪也有所感染。但国人研究西北史地，由于欠缺必要的语言知识，对汉文文献以外的丰富材料一直不能很好地利用，从而极大地限制了这门学问的进一步发展。而西方学者的东方学研究正好可以在这方面弥补国内西北史地之学的缺失。与伯希和结识以后，陈寅恪第一次有机会大量接触到以敦煌文献为主的各种新发现的材料，学术眼界大为拓宽，而伯希和利用其广博语言知识处理各种新材料的本领，更是给陈寅恪留下了极其深刻的印象，引发了他探索西北史地之学的欲望。
作为一个掠夺者，伯希和的强盗行径无疑是卑劣可耻的。但作为一个研究东方文化的专家，伯希和的治学方法和研究兴趣对陈寅恪的影响是十分巨大的。陈寅恪在学成回国后执教清华国学研究院的近十年间，其治学路数在很大程度上沿袭了伯氏。具体来说：
第一，在敦煌学研究方面，伯希和著有《摩尼教流行中国考》等篇，因此有“中国摩尼教研究的先驱”之称。而陈寅恪有感于当时中国敦煌研究的落后，叹为“吾国学术之伤心史也”，来唤醒和激发国人自强不息，“勉作敦煌学之预流”，“襄进世界之学术于将来”，为祖国争得荣誉。他不仅首创“敦煌学”一词，而且指明了包括摩尼教在内的研究方向，并预言敦煌学将成为世界显学。敦煌遗书中份量最多的是佛经卷子，并有部分讲唱佛经和佛经故事的变文。陈寅恪不仅发现了宋明小说、宝卷弹词等文学与佛教经典之间的源流，还具体研究了佛经故事在传布过程中的变化形态，他指出，寺院讲经多引故事，而故事一经演讲，便会随其说者听者本身之程度及环境而生变易。他曾以《西游记》为例，对孙悟空、猪八戒、沙僧的原型进行了考证。
此外，陈寅恪还常以敦煌经卷证史，用敦煌资料释诗。他曾利用写经题记年代最多的隋朝和唐高宗、武则天时期来求证史书，结果发现与史籍关于当时佛教盛行、佛经广为流传的记载是完全相符的，这就为史书记载的可信程度提供了依据。陈寅恪还运用《敦煌本心王投陀经及法句经跋》解释了白居易的“身委逍遥篇，心付头陀经”和“法句与心王，期君日三复”等诗句。
另外，他还注意运用史书记载来解决敦煌资料中提出的问题，以史解经、以史考诗，以及将佛经典籍与变文故事、民俗小说结合起来进行比较研究，以考察中国文学的源流变化，这些治学的方法都为后来的敦煌学研究树立了榜样。
第二，在藏学研究方面，伯希和著有考证汉文吐蕃名称由来等藏学名篇，而陈寅恪回国后的第一篇学术论文《大乘稻芊经随听疏跋》就是藏学论文，考证出此文的译者为吐蕃僧人法成。1930年，陈寅恪发表了《吐蕃赞普名号年代考》一文，考证出吐蕃彝泰赞普的名号与年代，是其当时的得意之作。陈寅恪对于伯希和曾用功的唐蕃会盟碑研究亦作了译释，推动了藏学研究的深化，所以有“唐德宗与吐蕃之唐蕃会盟碑，许多学者，如法国之沙畹、伯希和等人均无法解决，陈先生之翻译也使国际学者满意”之说。
第三，在蒙元史和中亚史研究方面，伯希和研究蒙元史及中亚史的论著宏富，如《蒙古与教廷》、评注俄国学者巴尔托德《蒙古侵略时代之土耳其斯坦》、评注英人巴德利《俄国·蒙古·中国》而成的《卡尔梅克史评传》等，可见伯希和在这一领域中的研究是广泛深入的。此外，伯希和对萨囊彻辰的《蒙古源流》也颇有研究，而此书是陈寅恪用功颇深的蒙古史书。他不仅从《大藏经》中检出元朝国师八思巴为真奎太子所造的《彰所知论》与《蒙古源流》之间的渊源关系，而且校勘、考订该书的东方诸文种译本，“对此后的蒙古史研究产生了重大影响”。陈寅恪依据对汉、藏、蒙文献的比较研究，第一次指出，《蒙古源流》的基本观念和编撰体裁，都是取之于元代吐蕃喇嘛八思巴所著的《彰所知论》，是蒙古史料的另一系统。他勘对东西方多种文献，把文献记载中关于蒙古族起源之观念分为四类。更考订本书的汉文译本，得出是乾隆时据满文本译出的结论。
第四，在突厥学研究方面，伯希和撰写了《汉译突厥名称之起源》、《突厥语与蒙古语中的驿站》等论文，对突厥学研究亦有促进作用；陈寅恪早年读书笔记中，仅学习突厥文的就有9册，治学根底扎实。归国执教之初，陈寅恪的指导范围有“古代碑志与外族有关系者之研究（如研究唐蕃会盟碑之藏文、阙特勤碑之突厥文部分，与中文比较之类）”，但陈寅恪对中国突厥学的直接贡献，不是译释突厥碑，而是研究突厥史，尤其是唐与突厥的政治关系史。陈寅恪摒弃了那种把突厥史作为隋唐史附属品的陈旧观念，充分认识到了突厥汗国的历史地位。其一，他在《论唐高祖称臣于突厥事》一文中，作出“突厥在当时实为东亚之霸主”的结论。唐高祖向突厥称臣，是唐室讳莫如深的“国耻”，但从隋末争雄的国内外政治环境看，又是势在必行的权宜性“国策”。其二，在唐帝国的政治生活中，突厥籍和突厥化的藩将占有十分重要的地位。他在《论唐代之藩将与府兵》一文中，揭示了唐代藩将社会基础的演变，论证了藩将所特有的使用价值。
陈寅恪敬重伯希和的学识，留心伯希和的研究成果，而且在自己的论著中时常加以引用，其学术见解明显受到了伯希和的影响。伯希和与陈寅恪的这段交往也被中外学界传为美谈。
陈寅恪在巴黎大学就读期间，偶然看到国内报纸，有人提议袁世凯为终身总统，当时巴黎正在举办选花魁之会，陈寅恪作诗讽喻：“岁岁名都韵事同，又惊啼鳺唤东风。花王那用家天下，占尽残春亦自雄。”1913年冬天，陈寅恪曾到伦敦一游，参观绘画展览，作《癸丑冬，伦敦绘画展览会中偶见我国新嫁娘凤冠感赋》诗一首。
1914年秋天，第一次世界大战爆发，欧洲一片混乱，陈寅恪不得不匆匆回国。1915年春，陈寅恪到北京担任新成立的经界局局长蔡锷的秘书，主要工作是翻译有关东西方图书资料，探究中国经界的源流。蔡锷，湖南人，早年受陈三立赏识，破格进入湖南时务学堂学习。辛亥革命后，曾任云南省都督，1913年底到北京中央政府任职。蔡锷反对袁世凯称帝，于1915年11月从北京秘密回到云南，领导了护国运动。袁世凯在国内一片强烈的反对声中一命呜呼。继任总统黎元洪任命陈三立旧友谭延闿为湖南省省长兼督军。谭延闿则请陈寅恪到省长公署任交涉科长。由于陈寅恪看不惯官场的尔虞我诈、阿谀奉承，很快就离开了，此后再也没有涉足官场和参加政治活动。
从1915年秋天开始，陈寅恪应江西省教育司（相当于后来的教育厅）副司长符九铭的邀请为江西省连阅留德学生试卷三年，并申请了江西省官费留学的名额，期间还在家中侍奉父母和博览经史著作。陈衡恪之子陈封怀回忆这段时间陈寅恪在家中的生活时说：“他送了我一册原文本的《莎士比亚集》，据说是他以前在英国读过的。里面每个剧本后面都写有他的评语（是用文言文写的），在那时，我们叔侄二人经常谈论欧洲各国的历史和文学。他在欧洲，特别是对英、德、法语言文字有深入的理解。”这一年，父亲散原老人六十五岁，常常率儿孙游览南京的名胜古迹。例如1917年8月的日记中写道：“二十一日携儿子陈寅恪、登恪、孙封怀，买舟游燕子矶，遂寻十二洞，历其半，至三台洞而还。”还有诗云：
闭置不乐摩华颠，杂影江浒晴呼船。
从游年少蹲篷底，贪看拍岸惊涛旋。
千峰散翠日气午，鼓角十里高风传。
迎人伏燕势欲起，走循爪距登其巅。
覆碑一亭卧兵子，荒荒草木山依然。
往岁支筇伴国老，霜髯领客疑飞仙。
当时京师图书馆曾拟聘陈寅恪为主任，但因其即将出国而作罢。