1956年9月,刚在台湾读了一年大学的丁肇中只身踏上了赴美求学的征程．抵达美国后,他寄住在布朗教授家中．作为密执安大学工学院的学生,第一年他是在语言不通、生活环境不同、学习困难的情况下度过的．后来,他发现自己不太喜欢机械制图,却对数学和物理发生了浓厚兴趣,于是便转到理学院读书．1957年暑假时,他读了一本名叫《原子光谱》的书,第一次接触到光子的概念,以及光子在原子物理上的作用。

大学即将毕业时,丁观海教授寄来一本《量子电动力学》,作为圣诞礼物送给他．量子电动力学(QED),是研究微观粒子运动的科学．这门科学的出现,标志着人类对自然界各种客观规律的认识,已经深入到微观世界,大大促进了原子物理、固体物理和核物理等学科的发展．丁肇中对父亲送的礼物爱不释手,他反复研读这本书,并论证了书里的许多方程．从此,量子电动力学理论成了丁肇中最喜欢钻研的科学．父亲送给他的这一不同寻常的圣诞礼物,在这位未来实验物理巨匠的心中播下了不灭的火种．这时他虽然还是一个不为人知的大学生,然而在心中却萌发了一个念头: 把自己的一生献给物理学．他清楚地知道自己选择的是一条充满艰难险阻的道路,但他坚信只要埋头苦干,潜心钻研,普通人也能作出辉煌的业绩。

1959年夏天,丁肇中读完大学,同时获得了数学和物理学两个学位．大学毕业后,他获得了美国奥克瑞奇中心从事粒子物理研究的奖学金．正当准备赴普林斯顿高等研究所工作时,他结识了在密执安大学建筑系读书的凯·路易丝·库妮．于是,他放弃了去普林斯顿的计划,决定继续留在密执安大学攻读博士学位．1960年11月23 日,丁肇中同凯·路易丝·库妮结为伉俪．而后,他进入密执安大学物理研究所,不久又来到旧金山附近的伯克利电子直线加速器中心,迈上了成为实验物理巨匠的征程。