大学生活开始了，与中学不同的是主要课程如数学、物理等不再以小班（50人左右）上课，而是在可容纳几百人的大阶梯教室上课，老师讲课没有课本，只有参考书，上课必须记笔记。入学时他的眼镜已达400度，为了能在前几排找到座位，他早晨匆匆吃完早饭，就往教室跑，有时晚了，就到食堂拿一个馒头，夹点咸菜边走边吃去上课。清华大学当时强调打好基础，练好基本功。为加强学生理论知识的学习，工程物理系的数学课是采用苏联著名数学家斯米尔诺夫著的《高等数学教程》教科书，学两年。该书是苏联高等教育部审订为综合大学数学系、物理系及高等工业学院用较高深数学的各系教科书，我国教育部把它作为综合大学物理系各专业高等教育课程的教材，工程物理系的高等数学由栾汝生教授讲授，教授讲课栩栩如生，概念交待清楚，公式推理简洁并随时启发学生思考一些难解的问题，他在学习中受益匪浅。物理课是以苏联著名物理学家福里斯著《普通物理学》为教材，该书也是综合大学物理系用书，也学两年，由留美回国的谢毓章教授讲课。材料力学是由张福范教授讲课。在大三和大四时，他们还开了《积分方程》、《数理方程》、《变分法》、《复变函数》、《概率论》和《数理统计》等多门数学课程。当时清华新生的第一门外语是俄语，从大四以后开了第二外语———英语，五年级增加了专业英语阅读课，由老师指定一篇文献，每个同学阅读后写出心得，并在课堂上用英语讲述。这些课程为他后来的工作和从事科学研究打下了牢固的理论基础以及阅读外文文献和资料的能力。这对一名科技人员非常重要，他们必须了解国外的动态和发展前沿，只有这样才能达到赶超国外的先进水平，并有所创新。此外，为培养学生的动手能力和解决问题的能力，还开设了一门《中级物理实验课》。每周用一个下午时间，上课时，老师给出每人的试验题目、试验目的和试验要求外，选取什么样的试验方法、仪器设备，整个试验的操作方法和程序，线路的设计都是由学生自己完成的，最后学生要分析试验结果，并给出结论和讨论，这是一门同学们非常感兴趣的课程，也是有一定难度的课程。整个下午是一场紧张的战斗，要在规定的时间里，用所学的知识和自己的智慧，既动脑又动手，给出试验结果，这对学生是极好的培养，对培养他们独立解决问题能力及实事求是的科学态度有很大的作用，既培养了学生的动手能力，又锻炼了学生的思维和分析问题及解决问题的能力。李天回忆起这门课程，深有感触地说：“这门课对我帮助很大，是对未来科学研究进行探索的启蒙。”
1957年入学时，清华大学为五年制，应该1962年毕业，当年工程物理系新生共分九个班，从物21到物29，李天分到物29班，1958年下半年，学校为提高学生的质量，加强基础课学习和基本功的训练，希望毕业生能达到硕士水平，将五年制改为六年制（即1963年毕业）。同时工程物理系分成三个系，即工程化学系、工程物理系和工程力学数学系。工程力学数学系设三个专业：流体力学、固体力学和计算数学。李天他们班分到流体力学专业，班号为力301班，工程力学数学系由著名力学家、清华副校长张维教授兼任系主任，杜庆华教授为副主任。当时大家对专业了解不多，加之那时的学生是绝对服从分配的，从来不问为什么，没想到这个专业恰好是与他喜欢的航空事业密切相关的。他对航空的热爱始于高中时读到的一本《星际来客》的幻想小说，神秘外星人到地球的来访以及有关火星上是否曾有人类的争论都引起了他的极大兴趣。考入清华大学后，苏联在1957年10月成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，大家为苏联在航天领域取得的成就而欢呼，李天抱着极大的兴趣开始关注这方面的报道和相关信息，一本介绍俄国莫扎伊斯基于1882年设计制造第一架只飞行了二三十米的单翼机，美国莱特兄弟于1903年设计制造第一架有动力、可操纵、能持续飞行的飞机，他们不畏困难从而开辟了航空新纪元的书籍令他印象深刻。他不断关注世界各国飞机的研制发展，并逐渐把兴趣聚焦在飞机空气动力学方面。看到美、苏在航空航天事业上的飞速发展，军民用新飞机不断飞上蓝天，而我国自19世纪最早的飞机设计师和飞行家冯如在1909年制成第一架飞机后，直到1958年才有中国自行设计的第一种飞机———歼教1飞机（此时美国已装备了F-4、F-105，苏联装备了米格-21等先进的战斗机），巨大的差距激发了李天为赶超美苏航空大国而奋发学习和工作的斗志，为我国航空事业发展贡献一生成了他不可动摇的理想和追求。
清华大学强调基本功的训练，基础理论课程门类多，学时多，除由教授上大课讲理论外，还安排习题课，习题课是分小班上，由讲师或助教讲各种习题，以加深理论课所学内容，当时作业很多。由于学生宿舍比较小，课余时间大家都到图书馆或阶梯教室等地方去自习，清华图书馆很大，里面是一排排的大桌子，每个大桌子两边可坐10人左右，这里环境优雅，人虽然很多，但非常安静，从早到晚座无虚席，各年级勤奋好学的学生都在那里认真钻研。李天每天下午锻炼回来简单洗洗，到餐厅匆匆吃完晚饭，背着书包就往图书馆跑去，看书或做作业。晚上自习如果去晚了一点就没有坐位了。他经常一坐就是三个多小时，一直到闭馆铃声响起来才收拾书包回宿舍，每个星期日和节假日都是在图书馆度过的，大学的紧张学习生活使他养成了勤奋读书、刻苦钻研的习惯，除了老师在课堂上讲的内容完全消化和理解外，他还主动找参考书学习，不断扩展自己所学的领域和视野，同时找些课外题演练，达到锻炼思维和解决问题及举一反三的目的。五年级开设的英文文献阅读课，为他了解英、美航空技术发展开辟了一个新天地，使他通过查找相关英文参考文献掌握了如何能较快地找到所需外文文献的方法，这为他在毕业论文期间发挥了很大作用。他通过有限的关于叶栅翼型设计文献逐步扩展查到更多的有关这方面的文献资料，通过分析快速阅读和重点分析，使他归纳出一个较好的方法，帮助他较快而出色地完成了毕业论文设计工作。这也为他到601所以后能很快胜任新的工作打下了良好的基础。
1958年初，学期结束没有放寒假，学校组织全体同学去十三陵水库劳动10天，每天8小时，每人挑两个土篮往大坝上运沙土，这对他们年青学生是一个严峻的考验，李天从来没有挑过百十斤重的土篮，劳动两小时，休息15分钟，这时大家把土篮一放，四脚朝天躺在沙地上遥望蓝天不愿起来，别有一种情趣，虽然每人配一个垫肩，但劳动结束，每个人肩膀两边都肿成一个大红包，这是他有生以来第一次真正进行的劳动锻炼。
1958年大跃进和大炼钢铁运动在全国轰轰烈烈地展开，10月，清华大学参加了全国大炼钢铁的运动，李天他们班组织了突击队，他是成员之一，自己建造小高炉，戴柳条帽，手拿钢钎，冒着高温，在炉旁炼出铁料的熔化物并在钢板上“炒钢铁”，虽然炼出的真正钢不多，但也为全国实现1070万吨钢做出了贡献，当时感到很自豪，现在想起来真是年青幼稚啊。
1959年6月，清华大学又掀起勤工俭学运动，每班参加2个月的生产劳动，他们班是承担铸模车间工作，从翻砂，混砂，运砂到作砂模及浇铸。他当时身体较好，负责运砂，一个人推一个板车，从混砂机旁装满一车混好的砂，运到一千米外的铸模车间供做铸模用，一天跑几十趟，每天都是满身黑泥，汗流浃背，劳动结束身体晒的油黑，真正体会到劳动人民的辛苦和伟大。
1959年是中华人民共和国成立10周年，国家要举行阅兵典礼。清华大学承担了基干民兵方队通过天安门的任务，暑假后学校将二、三、四年级的男生组成10个民兵方队，李天参加了工程力学数学系的方队，每人发一支步枪，周六下午在学校练走步，周六晚上乘车去天安门进行预演练习，每次晚上要在天安门广场往返走两次，要保持方队整齐并雄壮地通过天安门，练习完回到学校已经是凌晨一两点，国庆节前共去了6次，也是很辛苦的。10月1日那天清华的基干民兵方队整整齐齐地通过了天安门，接受了毛主席的检阅，看到毛主席向他们挥手，大家心情非常激动，一个半月的辛苦练习没有白费，是值得的，想起这些他感到很自豪，留作美好的回忆永记心间。
六年级上学期3个月（1962年10月—12月）的毕业实习开始了，他们系有个金工车间，他们班毕业实习的任务是为金工车间设计制造一台车床，从选动力，车床尺寸、样式及性能全部由大家讨论决定，然后分工设计、加工、装配，李天小组负责总装，他们经过10天的奋战，每天工作十几小时，终于装配了一台新车床，并用新车床开始加工零件。有一天，副校长兼工程力学数学系主任张维教授来到车间视察，正值李天值班，在李天帮助下，张维教授亲自加工出一个拉伸试验件，张维教授表扬大家通过真刀真枪的实干，既培养了大家的设计动手能力，又为金工车间增添了一台设备，毕业实习成果显著。通过这次实习培养了同学们团结协作、严谨实干、精益求精的科学精神，把所学的工程知识用到了实际生产中去。