严济慈从小聪颖好学，刻苦上进，数理方面尤为出众。中国著名的翻译家、当时东阳中学的英语教师傅东华十分喜爱这个学生，为他取表字“慕光”，寓意希望他追求光明和真理。

大学期间，严济慈颇受著名数学家何鲁、熊庆来和物理学家胡刚复教授的赏识并以第一名的成绩毕业。因为东南大学刚成立，其他同学尚未达到毕业要求的学分，严济慈也成为东南大学第一届唯一一位毕业生。

1923 年10 月，满怀学习国外先进科学理想的严济慈，赴法国巴黎大学深造。在补习了半年法文之后，他仅用一年时间就考得巴黎大学三门主科——普通物理、微积分和理论力学的文凭，并获数理科学硕士学位。这在巴黎大学史无前例，严济慈一举成名。

1925年10月，严济慈师从著名物理学家夏尔·法布里教授，攻读博士学位经过一年半的研究,严济慈精确地测定出“晶体压电效应反现象”，证实了比埃尔·居里的设想，解决了这一四十余年悬而未解的难题。

1927 年春，刚刚当选法国科学院院士的法布里，在他首次出席法国科学院的院士例会上，宣读了严济慈完成的博士论文《石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究》，这是法国科学院第一次宣读一位中国人的论文，震动了法国物理学界。严济慈成为世界上第一个精确测定石英压电定律“反现象”的科学家，也成为第一位获得法国国家科学博士学位的中国人。第二天，《巴黎晨报》第一版显要位置便刊登了《新院士法布里教授和中国学者严济慈》的新闻，并配有法布里和严济慈的醒目照片。在那样一个国人颇受歧视、辱为“东亚病夫”的时代，这不仅是严济慈个人的荣誉，更是所有中国人的骄傲。

法国一些知名科学家想邀请严济慈到他们的实验室工作，但严济慈归心似箭。在致岳父的信中，严济慈写道：“吾人学稍有进，对国家责任，亦更加加重，尤宜努力前进”。

1927 年7月29日，严济慈启程回国。在回国的邮轮上，他结识了国民党元老、留法前辈生物学家李石曾及留法的青年美术家徐悲鸿。严济慈和徐悲鸿虽是初遇，却一见如故，特别投缘。途中，徐悲鸿还为严济慈画了一张肖像素描，并题写了一行法文小字：“致我的朋友严济慈——科学之光”。