1916年7月,茅以升在唐山路礦學(xué)堂畢業(yè)考試中榮獲全校總成績(jī)第一名,其中竟有一門功課考了120分。同年清華學(xué)堂向全國(guó)招收留學(xué)官費(fèi)研究生,考生眾多,考題甚難,他又以第一名的成績(jī)考取。秋天,十九歲的茅以升乘“中華”號(hào)遠(yuǎn)洋輪從上海啟程遠(yuǎn)渡重洋到達(dá)美國(guó)紐約。之后轉(zhuǎn)乘火車來到美國(guó)東部大學(xué)城—綺色佳市。綺色佳市只有兩萬人口,居民從事的各行各業(yè)都是為康乃爾大學(xué)服務(wù)的。 
      康奈爾大學(xué)是個(gè)世界性學(xué)府,校內(nèi)聚集著十幾個(gè)國(guó)家的留學(xué)生。茅以升是唐山工業(yè)專門學(xué)校第一個(gè)來到這個(gè)學(xué)校注冊(cè)報(bào)道的研究生。該校教授說:“唐山工業(yè)專門學(xué)校從未聽說過,須經(jīng)考試方能注冊(cè)。”出乎他們的意料,茅以升的考試成績(jī)榮登榜首,為此,學(xué)校規(guī)定,今后凡是“唐山工業(yè)專門學(xué)校”的畢業(yè)生,可以免試直接入學(xué)。
      日歷翻了365頁,茅以升第一年就取得了碩士學(xué)位。學(xué)校要留他當(dāng)助教,向他展示一條晉升教授的道路。茅以升想:我來美國(guó)學(xué)習(xí),不是為了當(dāng)教授,而是要學(xué)好本領(lǐng)回國(guó)造橋。他謝絕了學(xué)校的聘請(qǐng),到匹茲堡橋梁公司實(shí)習(xí)。在那里他學(xué)習(xí)繪圖、設(shè)計(jì)、金工、木工、油工等全部造橋技術(shù)。在實(shí)踐中他感到有進(jìn)一步學(xué)習(xí)理論的必要。于是他又考入匹茲堡市卡利基工程學(xué)院橋梁系夜校學(xué)習(xí)。每天同時(shí)上兩所大學(xué),時(shí)間比金子還貴。
      他創(chuàng)造了人的智慧、毅力和精力極度發(fā)揮的奇跡。早晨4點(diǎn)鐘,桌上的鬧鐘把它從夢(mèng)中叫醒,趕忙吃完早飯,跑步去乘火車趕往橋梁公司。車上成了他學(xué)習(xí)外語的課堂。他嘴念、耳聽、眼看、手寫、心記,五個(gè)器官同時(shí)并用。至于嘈雜的叫喊聲、車輪碰擊鐵軌的轟轟響聲,已經(jīng)對(duì)他完全失去了作用。
      工地休息的鐘聲響過,他放下錘子,從口袋里掏出本子和鋼筆,開始做夜校的功課。
      吃飯時(shí),他不得不改變右手拿勺的習(xí)慣,改用左手拿勺,右手拿筆,隨時(shí)記下想到的問題。他的頭腦里終日閃動(dòng)著橋梁、圖紙、公式、定律、假設(shè)、試驗(yàn),這里有看得見摸得著的物體,也有變幻無窮、撲朔迷離的抽象東西。
      夜晚,他經(jīng)常起床將隨時(shí)想到的問題寫在紙條上,隨手釘在墻上,整個(gè)房間掛滿紙條像開展覽會(huì)。
      1918年12月,茅以升各科學(xué)分已學(xué)滿,下一步是寫博士論文。因?yàn)橛貌┦繉W(xué)位,先得學(xué)一門主科,兩門副科。茅以升選橋梁為主科,高等數(shù)學(xué)為第一副科,城市建筑為第二副科,語言課則需兩門外語,他攻下了英文、法文。
      經(jīng)過半年的努力奮斗,他完成了洋洋30萬言的博士論文《框架結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力》,達(dá)到了當(dāng)時(shí)世界水平,該文的科學(xué)創(chuàng)見被稱為“茅氏定律”,成為卡利基工學(xué)院第一位工學(xué)博士。之后,經(jīng)美國(guó)著名科學(xué)家賈科貝教授的推薦,康乃爾大學(xué)授予茅以升“斐蒂士”金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?br />       有人問茅以升:“從碩士考取博士按規(guī)定需要兩年時(shí)間,你只用了一年時(shí)間,‘秘訣’在什么地方?”
      茅以升說:“‘秘訣’在于我實(shí)習(xí)中上了夜校,我在夜校讀完了博士學(xué)位的課程,省了一年時(shí)間。此外,就是艱苦奮斗。由于國(guó)內(nèi)政局不穩(wěn),教育部停發(fā)海外留學(xué)生的經(jīng)費(fèi),加之祖父病故,父親失業(yè),經(jīng)濟(jì)陷入困境。我又利用課余時(shí)間打零工,勤工儉學(xué),終于克服重重困難完成學(xué)業(yè)。”
在美國(guó)留學(xué)期間,茅以升不單純攻讀學(xué)位,他還時(shí)刻關(guān)心著祖國(guó)的命運(yùn),充滿愛國(guó)激情。1916年到美國(guó)康奈爾大學(xué)時(shí),就參加了我國(guó)最早的自然科學(xué)團(tuán)體—中國(guó)科學(xué)社。1917年,茅以升又擔(dān)任中國(guó)留美學(xué)生會(huì)副主席,并與羅英等人在美國(guó)成立中國(guó)工程學(xué)會(huì)。
      第一次世界大戰(zhàn)后,1919年春,在法國(guó)巴黎召開“和平會(huì)議”,會(huì)上英、美、日各國(guó)欺凌中國(guó)。茅以升聞?dòng)嵑?,代表留美學(xué)生會(huì),執(zhí)筆在報(bào)上發(fā)表了抗議,并于4月30日晚,在“卡利基音樂廳”舉行“中國(guó)夜”宣傳大會(huì)。茅以升作為大會(huì)主席發(fā)表演說,散發(fā)自己寫的宣傳小冊(cè)子,會(huì)后表演節(jié)目。四天以后,國(guó)內(nèi)發(fā)生“五四”運(yùn)動(dòng)。
      茅以升又親自編寫話劇《虹》,內(nèi)容是號(hào)召人民緊密團(tuán)結(jié),支持我國(guó)斗爭(zhēng)。劇本脫稿后,他又組織演出,舉辦了第二次“中國(guó)夜”大會(huì),聲援我國(guó)“五四”運(yùn)動(dòng)。但是,匹茲堡各大報(bào)紙都登載“中國(guó)夜”消息,引起轟動(dòng)。
      1919年12月14日,三年的留學(xué)生活結(jié)束了。23歲的茅以升懷著“我的事業(yè)在中國(guó)”的赤子之情,急步登上開往中國(guó)的遠(yuǎn)洋輪船,決心把自己的智慧和才華獻(xiàn)給親愛的祖國(guó)。