Zgodnie z wcześniejszą przepowiednią biskupa Spaldinga, w 1921 roku Sheen wyjechał do Belgii, aby studiować na Uniwersytecie Katolickim w Lowanium. Był to wówczas jeden z najważniejszych ośrodków odnowy tomistycznej na świecie. W 1923 roku uzyskał stopień doktora filozofii z najwyższym odznaczeniem (agrégé en philosophie). Jego praca doktorska, wydana później jako książka God and Intelligence in Modern Philosophy (1925), została nagrodzona prestiżową nagrodą im. Kardynała Merciera za najlepszy esej filozoficzny. Stał się tym samym pierwszym Amerykaninem w historii uczelni, który otrzymał to wyróżnienie.
Swoją formację naukową zakończył w Rzymie, uzyskując w 1924 roku doktorat z teologii (S.T.D.) na Papieskim Uniwersytecie św. Tomasza z Akwinu (Angelicum). Przed powrotem do USA pracował przez rok jako wykładowca w St. Edmund’s College w Ware (Anglia), gdzie nawiązał bliską relację z G.K. Chestertonem, co wpłynęło na jego styl literacki i apologetyczny.