Doktorat w (1922–1925) thumb|Promotor L. Paulinga, R.G. Dickinson, należał do pionierów w dziedzinie rentgenografii strukturalnej, która w przyszłości pozwoliła określać struktury najbardziej złożonych biomolekuł (symbole A-DNA i B-DNA – zob. rodzaje DNA) Doktorat postanowił robić w (CIT, później CALTECH) w Pasadenie, ponieważ w tej uczelni można było to osiągnąć w ciągu trzech lat (na Uniwersytecie Harvarda – sześć lat). Po wielu latach (w 1994) stwierdził, że ten wybór był bardzo dobry. George Ellery Hale (astronom), Robert Millikan (fizyk, Nobel 1923) i Arthur Amos Noyes (chemik, doskonały wykładowca) dopiero tworzyli wówczas swój instytut (). Gdy stał się wiodącą jednostką naukową, był wiązany z nazwiskiem Paulinga.
W 1922 roku Noyes zaproponował Paulingowi skromne doktoranckie stypendium. Pracę – badania struktury kryształów – wykonywał pod kierunkiem Roscoe G. Dickinsona, ucznia R.W.G. Wyckoffa, pioniera w dziedzinie dyfraktometrii rentgenowskiej. Już w 1923 roku Dickinson i Pauling opublikowali wyniki badań struktury molibdenitu i związku międzymetalicznego MgSn, powstającego w stopach magnezu z cyną. W tymże roku CIT odwiedził Arnold Sommerfeld, m.in. z wykładem o wynikach swojej pracy dotyczącej teorii kwantowej. Prezentował m.in. przywiezione z Niemiec modele kryształów.