1948年秋，邓稼先受父亲的好友杨武之教授之托，与杨振宁的弟弟杨振平结伴从上海乘船，漂洋过海到一个他很陌生的地方——美国。1948年夏，杨振宁已为杨振平在美国布朗大学申请到半额助学金，杨武之还是决定让振平去美国。正好邓稼先也要去美国读博士，于是振平和邓稼先一起登上“哥顿将军号”客货轮，于当年8月离开上海去美国。
邓稼先站在轮船的甲板上，思绪万千，心潮就像船边的浪花一样起起伏伏。他想起临来美国前，一位对他思想帮助很大的同志袁永厚说过的话：新中国的诞生不会是很遥远的事情了，天快亮了！好友要他留在北平迎接解放，继续发挥骨干作用。但是邓稼先明确地回答袁永厚说：“将来祖国建设需要人才，我学成一定回来。”事隔40年之后，在1988年的夏天，袁永厚先生作为中国派驻香港人员，在寓所接待了前来访问的许鹿希。当时香港还是英国的属地——回忆起当年的往事，袁先生仍然清楚地记得邓稼先说的“祖国建设需要人才”这句话，不胜感叹。这位在关键时刻往往极有远见的青年，果断地决定走适合自己特点的路来为祖国服务。这一点，稼先心里非常清楚。
1948年10月，他进入美国印第安纳州的普渡大学（PurdueUniversity）研究生院，读物理系。学校位于芝加哥南边约100英里的小城拉菲亚得。这里很久以前曾是普来利冰河流经的地方，是古老的不毛之地，后来变成一片草原，树木少得可怜。到了冬天，房顶和地面常常积压着厚厚的白皑皑的雪层，附近有一条名叫沃巴什的平平常常的小河。邓稼先被单调的一切包裹住了，他对此地的风光大失所望。
邓稼先，这个生性好玩的大小孩，初来时讨厌这个拉菲亚得。这里不仅没有北京的颐和园、香山那样使人开心的去处，也没有昆明滇池和西山的秀丽景色。但是他现在却暗暗庆幸这不可多得的荒漠般的环境，对下苦功攻坚的学子来说，这里就是读书胜地。枯燥的环境令人生厌，但却可以帮助学生收心。
普渡大学在1876年由原先的印第安纳州农业学院和机械学组成。到1948年邓稼先入学时，普渡已是有72年历史的学校了。虽然不是最有名的学校，但水平很高，在我国过去就有过“清华认麻省，交大认普渡”的说法。普渡大学物理系，就更有名一些，据说当时在美国大学物理系的前十位中是能够数得上的。
邓稼先为什么选择了核物理，并且以《氘核的光致蜕变》（The photo-disintegration of the deuteron）作为自己的博士论文题目，其缘由在40多年后才明白。1990年杨振宁先生在美国石溪办公室（State University of New York at Stony Brook）与许鹿希谈话时告诉她，在1948年那个时候，现在所谓的基本粒子还只是刚刚开始。核物理已是比较大的一支了，它起始于1930年左右，到那时核物理已经快有20年的历史。尤其是在第二次世界大战以后，做核物理的人非常多，很热门。邓稼先到了普渡大学物理系，他的导师荷兰人德尔哈尔（Ter Harr）是搞核物理研究的，所以邓稼先当然很自然地也做了核物理方面的研究。他的论文题目《氘核的光致蜕变》，在当时是一个很时髦的题目，要细分类的话，属于理论核物理范围。
邓稼先到美国后的第一个强烈感觉就是美国的科学技术水平与战后国民党统治时期的中国科技水平之间有着难以想象的差距，这个事实再一次刺伤了他的民族自尊心。他的脾性发生了一点变化，他下死功夫读书了，过去在西南联大上学时的潇洒气派减了，增添了一份玩命似的勤奋。有一段时间，他曾和后来是我国著名的低温物理学家洪朝生院士共租一间房子。那时，洪朝生已在麻省理工学院毕业，他是到普渡大学来做研究工作的，想不到几十年后，这两位住在房顶阁楼下的年轻人在科学研究上好像把房顶拱翻了一样，各自在本人的研究领域内都冒了尖。
邓稼先开始时生活很拮据，他只能经常去吃最简单的饭食，几片面包、一点香肠。在北平上初中时一次就能吃80个饺子的大肚汉，要想顿顿都有饭有菜地吃个饱，这时已经做不到了。所以他必须计划着吃，什么时候有饭有菜，什么时候只有面包就行了。即使如此，他偶尔也要空上一顿，就像一支流畅的乐曲在华丽的转折处突然停顿半拍一样。不过前者是一种煎熬，后者是美的享受。冯友兰教授1948年自北平清华园寄美国其儿子的航空邮简一件，摘其内容如下：“现在朋友中的子弟出国成绩最好的是杨振宁，他不但成绩好，而且能省下钱帮助他家用，又把杨振平也叫去了，又帮助邓稼先的费用……”冯友兰教授曾任国立西南联合大学文学院院长，与杨、邓两家都熟。从此邮简中更证实了杨先生对邓稼先的帮助。邓稼先也曾多次对许鹿希说过，杨振宁对我们家，是两代的恩情啊。
邓稼先对新中国的诞生无限欢欣，但自己带着什么回去奉献给她呢？这仍然是他心底最为关注的问题。能有机会到普渡这样一所高等学府来学习处于国际上发展前沿的核物理，可是一个极为难得的机会，他当然拼命钻研，不肯松懈。他刚刚到普渡时是一名自费生，过了一段时间，他各门功课的考试都已达到了85分以上，过了标准分数线。他因此获得了奖学金，生活也就得到了改善。在吃饭前不用发愁，每餐都可以吃饱了。
因为邓稼先在西南联大读书时，功课的底子打得扎实，他在许多稍微看看书就可能通过的课程上尽量节省精力和时间。尤其是德文课，这是他在联大时学得相当好的第二外国语。在普渡，他一次也没去听过这门课，坐吃老本，考试居然顺利过关，拿到学分。于是邓稼先把自己从过去底子很厚的那些课程上挤出来的时间，当作最宝贵的财富，全部用到钻研物理学发展前沿的新成果方面。一般和他接触较多的同学，对于邓稼先的印象多半是他的热情、诚恳、待人随和以及孩子般的天真，不太容易看到他在关键时刻从大处着墨的眼光和气魄，而这是邓稼先能够在许多方面取得重大成绩的一种最重要的品格。
氘是氢的一种非常重要的同位素。1932年发现了中子，紧接着也发现了氘。什么是氘？氘就是重氢。氢由一个电子加上一个质子组成，而氘比氢多一个中子。因为在中子和质子结合时要放出一点东西来，质量有些亏损，这亏损就叫结合能。因此氘的重量是氢的重量的二倍略少一点，少了千分之几，也就是少了结合能。所以要把氘核打开分成一个中子和一个质子，就必须从外面加进能量去。打起来当然不容易，需要很大的能量才行。邓稼先的导师德尔哈尔教授给他选定的研究题目《氘核的光致蜕变》，在贝林凡特教授（Belinfante）具体指导下完成。这项研究也就是利用加速器放出的伽马射线，亦即电磁波或光波来轰击氘核，使之分裂成一个质子和一个中子，就可以很方便地研究质子和中子间的相互作用及各种关系。我们知道，地球上全部105种原子的原子核基本成分都是质子和中子，只不过因数量多少而各异。而氘核只有一个质子和一个中子，没有其他复杂因素的干扰，因此它是标准的研究对象。在发现同位素氘十六七年之后，就做它的光致蜕变的研究，当然是一个很吸引人的热门难点课题。但是邓稼先在导师的指导下，夜以继日，只用了一年零十一个月的时间，便读满了学分并完成了博士论文，顺利通过答辩，获得了博士学位。时值1950年8月20日。
在取得学位后，这位只有26岁的物理学博士，立刻准备行装回国，虽然在此以前他曾面临新的选择。因为普渡大学物理系的德尔哈尔教授有意带他到英国去继续深入研究。走去英国的路，将使他成为站在物理学发展前沿冲锋的战士，并且为摘取科学桂冠提供了现实的可能性。这对于一位有志于科学事业的青年当然是一个极富吸引力的召唤。在这样的机会面前，在教授的热情鼓励下，不能说邓稼先内心毫无所动。但是，他没有任何思想上的犹豫，没有经历抉择时两难的内心体验，便婉言辞谢了这位名教授的好意，他要抓紧时间，回到中国去。
邓稼先在1950年8月20日获得的美国普渡大学博士学位证书邓稼先根据自己了解的一些情况和新中国成立之后他对国际形势发展的一种直感，特别是1950年6月朝鲜战争爆发，觉得必须尽快行动，他怕夜长梦多，所以在拿到博士学位后第九天（1950年8月29日）就从洛杉矶（Los Angeles）登上威尔逊总统号轮船归国了。他的直觉并没有错。那一次，钱学森先生的行李刚搬上船就被扣下来；赵忠尧先生和邓稼先他们同乘一条船，但到日本靠码头时赵忠尧也被扣下来了，后经中国政府交涉才放出，乘后面的船回国。与邓稼先同船的约一百多名中国留学生，其中有他的同学陶愉生，以及后来是北京协和医院著名的眼科专家劳远秀教授等人。他的好朋友王守武、葛修怀及吴大昌、程光玲两对夫妻，都乘下一班的“克利夫兰总统号”轮船经同样路途回到大陆。后来他们分别是院士或教授，做了很多有益的工作。此后约有数百名中国留学生从美国被放回来。自从1950年10月25日抗美援朝的战斗打响后，由美国乘船直接回到中国大陆的事便暂时停止，其间中断了好几年。有的留学生则绕道欧洲回国。
邓稼先的行李不算少，但除了当时算是新鲜的压力饭锅及一点衣物之外，大量的是对他有用的书籍和杂志。这些书籍杂志和他迫切要回来参加新中国建设的心情一样，分量是沉甸甸的，别的东西与它们相比，都不在话下。金秋时节，威尔逊总统号驶抵香港。1950年时中英尚未建交，当时香港还是英国的殖民地。其他国籍的乘客都能在香港上岸，但是不准船上的中国学生在香港登陆，他们只好分批乘小木船划到中国境内上岸，最后在广州聚集。一群满腔热情的海外学子，第一次踏上了新中国的土地，回到了母亲的怀抱。他们受到热情的接待，住在广州爱群大饭店，组织参观，向他们介绍新中国的情况。
《南方日报》刊登了消息和留学归来人员的名单。