Praca magisterska Hebba, zatytułowana Conditioned and unconditioned reflexes and inhibition poświęcona była hipotezie, że odruchy szkieletowe są wynikiem uczenia się komórek (M.A. cum laude, 1932). Dzięki radom wykładowcy, Borisa Babkina, pomimo trudności w pracy naukowej i prywatnemu nieszczęściu, zdecydował się kandydować na doktorat u polecanego naukowca.
Kariera akademicka Podjął studia doktoranckie, finansując je z pożyczki, na Uniwersytecie Chicagowskim pod kierunkiem Karla Lashleya, szanowanego psychologa fizjologii; przeniósł się za nim na Uniwersytet Harvarda, gdzie w 1936 r. uzyskał stopień doktora dzięki dysertacji na temat procesów uczenia się u zwierząt.
W 1937 r. Hebb, za sugestią siostry pracującej nad doktoratem z fizjologii na McGill, zgłosił się na rekrutację i uzyskał stanowisko fellow w Montreal Neurological Institute, gdzie pod kierunkiem Wildera Penfielda badał wpływ urazów i operacji mózgu na funkcje psychiczne. Zauważył, że dzieci częściowo lub w pełni odzyskiwały sprawności intelektualne po uszkodzeniach neurologicznych, choć podobne urazy u dorosłych były o wiele bardziej trwałe.