Szybko przeszedł jednak do fizyki teoretycznej.
W roku 1877 wyjechał do Berlina, gdzie przez rok studiował u sławnych fizyków – Hermana von Helmholtza i Gustawa Kirchhoffa – a także u matematyka Karla Weierstraßa. Planck zaprzyjaźnił się z Helmholtzem. W tym samym czasie powziął też zamiar samodzielnego studiowania prac Clausiusa, co zaowocowało wyborem nauki o cieple jako specjalności.
W październiku 1878 Planck zdał egzamin państwowy nauczycielski, a w lutym 1879 obronił doktorat (Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie). Potem krótko uczył matematyki i fizyki w swym dawnym gimnazjum w Monachium.
W czerwcu 1880, w wieku 22 lat, przeprowadził przewód habilitacyjny (Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen). Kolejnych pięć lat spędził na Uniwersytecie Monachijskim jako privatdozent, utrzymując się z publikacji naukowych. W 1885 został powołany na stanowisko profesora nadzwyczajnego w katedrze fizyki teoretycznej Uniwersytetu Kilońskiego. Jego prace z dziedziny termodynamiki i entropii nie wywołały początkowo zainteresowania w świecie naukowym, lecz monografia pt. „Zasada zachowania energii” zyskała w 1887 wyróżnienie na Uniwersytecie Jerzego Augusta w Getyndze. Rok później Planck został powołany na Uniwersytet Berliński, gdzie w 1892 awansowano go na profesora zwyczajnego.