Po studiach znów udał się do Europy. Dostał tu pracę w laboratorium Cavendisha, na Uniwersytecie w Cambridge, pod kierunkiem Josepha Johna Thomsona. Okazał się jednak niezręcznym eksperymentatorem, co powodowało częste okresy depresji. W Cambridge odbywały się w tych latach częste konferencje fizyków. Na jednej z nich Rutherford przedstawił młodego uczonego Nielsowi Bohrowi. To spotkanie utwierdziło Oppenheimera w przekonaniu, że fizyka to najlepszy wybór. W związku z tym w 1926 roku przeniósł się na uniwersytet w Getyndze, by kontynuować naukę pod kierunkiem Maxa Borna. Getynga była wtedy światowym centrum fizyki teoretycznej i Oppenheimer został przedstawiony wielu słynnym fizykom, takim jak Werner Heisenberg, Pascual Jordan, Wolfgang Pauli, Enrico Fermi i Edward Teller, a poznany jeszcze w Cambridge Paul Dirac zamieszkał nawet w tym samym domu.
W 1927 roku, w wieku 22 lat, otrzymał doktorat. W tym czasie opublikował ponad tuzin prac naukowych, które były ważnym wkładem w rozwój teorii kwantowej. Najważniejszym osiągnięciem z tamtego czasu było opracowanie przybliżenia Borna-Oppenheimera.
Praca zawodowa thumb|Oppenheimer (po lewej) z gen. Grovesem przy szczątkach wieży w punkcie zero testu Trinity – wrzesień 1945