1916年7月，茅以升在唐山路矿学堂(后更名为“唐山工业专门学校”)毕业考试中荣获全校总成绩第一名。同年，清华学堂向全国招收留学官费研究生，考生众多，考题甚难，他又以第一名的成绩考取。秋天，20岁的茅以升乘“中华”号远洋轮从上海启程远渡重洋到达美国纽约。之后转乘火车来到美国东部大学城——绮色佳市。绮色佳市当时只有两万人口，居民从事的各行各业都是为康乃尔大学服务的。
　　康乃尔大学是个世界性学府。校内聚集着十几个国家的留学生。茅以升是唐山工业专门学校第一个来到这个学校注册报到的研究生。该校教授说：“唐山工业专门学校从未听说过，须经考试方能注册。”出乎他们的意料，茅以升的考试成绩荣登榜首，为此，学校规定，今后凡是“唐山工业专门学校”的毕业生，可以免试直接入学。
　　日历翻了365页，茅以升第一年就取得了硕士学位。学校要留他当助教，向他展示一条晋升教授的道路。茅以升想：我来美国学习，不是为了当教授，而是要学好本领回国造桥。他谢绝了学校的聘请，到匹兹堡桥梁公司实习。在那里他学习绘图、设计、金工、木工、油工等全部造桥技术。在实践中他感到有进一步学习理论的必要。于是他又考入匹兹堡市卡利基工程学院桥梁系夜校学习。每天要在两个地方奔波，时间比金子还珍贵。
　　茅以升创造了人的智慧、毅力和精力极度发挥的奇迹。清晨4点钟，桌上的闹钟把他从梦中叫醒，赶忙吃完早饭，跑步去乘火车赶往桥梁公司。车上成了他学习外语的课堂。他嘴念、耳听、眼看、手写、心记，五个器官同时并用。至于嘈杂的叫喊声、车轮碰击铁轨的轰轰响声，已经对他完全失去了作用。
　　工地休息的钟声响过，他放下锤子，从口袋里掏出本子和钢笔，开始做夜校的功课。
　　吃饭时，他不得不改变右手拿勺的习惯，改用左手拿勺，右手拿笔，随时记下想到的问题。他的头脑里终日闪动着桥梁、图纸、公式、定律、假设、实验，这里有看得见摸得着的物体，也有变幻无穷、扑朔迷离的抽象东西。
　　夜晚，他经常起床将随时想到的问题写在纸条上，然后将纸条随手钉在墙上，整个房间挂满纸条像开展览会。
　　1918年12月，茅以升各科学分已学满，下一步是写博士论文。因为欲得博士学位，先得学一门主科，两门副科。茅以升选桥梁为主科，高等数学为第一副科，城市建筑为第二副科，语言课则需两门外语，他攻下了英文、法文。
　　经过半年的努力奋斗，他完成了洋洋30万言的博士论文《框架结构的次应力》，达到了当时的世界水平，该文的科学创见被称为“茅氏定律”，茅以升成为卡利基工程学院第一位工学博士。之后，经美国著名科学家贾科贝教授的推荐，康乃尔大学授予茅以升“斐蒂士”金质奖章。
　　有人问茅以升：“从硕士攻读博士按规定需要两年时间，你只用了一年时间，‘秘诀’在什么地方?”
　　茅以升说：“‘秘诀’在于我实习的同时上了夜校，我在夜校读完了博士学位的课程，省了一年时间。此外，就是艰苦奋斗。由于国内政局不稳，教育部停发海外留学生的经费，加之祖父病故、父亲失业，经济陷入困境。我又利用课余时间打零工，勤工俭学，终于克服重重困难完成学业。”