卢嘉锡并不满足于这种衣食无忧的日子。他有更高的追求，那就是争取出国留学。
报考出国留学有两条路：自费或公费。自费考试比公费容易，但限于经济能力，卢嘉锡只能选择公费留学，这也是所有贫寒学子的共同追求。
引导卢嘉锡走上科学救国之路，鼓励他走出国门，向西方学习先进思想和科学技术的是厦大数学系主任张希陆教授。张教授一向欣赏卢嘉锡的才华，不断鼓励他拼搏，争取出国深造。
1934年夏天，卢嘉锡第一次参加清华留美公费招生考试时，因为所学专业与招考专业不对口，成绩不理想，没有被录取。张教授劝勉他不要灰心，一定要坚定信念，不懈地努力下去。
1936年，卢嘉锡获得了报考中英庚款公费的资格，这回招考的正是物理化学，他信心十足，准备一举中的。考试成绩出来后，他在30多名考生中，排在前几名。可是由于物理化学专业只取1名，卢嘉锡又一次落了榜。这次有幸夺取桂冠的是比卢嘉锡年长两岁、后来成为好友的吴征铠。
卢嘉锡再次尝到失败的痛苦，他一个人坐在海边，看着一群群海鸥在蔚蓝的海面上自由翱翔，心中溢满了沉重的苦涩，他想起父亲一生的期待，想起自己深夜苦读时相伴的漫天星斗，想起张教授的无私援助和谆谆教诲，想起妻子无微不至的关怀和热切的目光……涛声依旧，世事无常，难道，自己真的无法跨越国门吗？
1937年3月，倔强的卢嘉锡第三次奔赴考场，终于以独占鳌头的优异成绩，考取了第五届中英庚款公费留学。
消息传回厦门，老师、同学、亲友奔走相告，纷纷举杯欢庆。厦门大学化学会和算学会还专门为卢嘉锡举行了隆重的欢送会。
1937年8月17日，卢嘉锡和来自全国各地的20几名留学生将从上海出发，远涉重洋，奔赴伦敦。
临行前，负责中英庚款公费的董事长朱家骅接见了留学生们，并分别和每个人谈了几分钟话。他问卢嘉锡：
“将来学成之后，你有什么想法？”
“回国，从事教育和科学研究——报效祖国！”卢嘉锡毫不迟疑地回答。他神情严肃，目光中流露着自信和睿智，未来，像一幅色彩斑斓的画卷，正在他的脚下，徐徐展开。
就在抗日战争爆发的1个月后，不满22岁的卢嘉锡踏上了异国求学的漫漫征程。
在卢沟桥，日本帝国主义的隆隆炮声还在震撼中华大地，侵略者的铁蹄正在践踏无辜的血肉之躯和中华民族的尊严，兵荒马乱，战火在蔓延。国家什么时候才能强大起来？百姓什么时候才能不受凌辱？站在船头，卢嘉锡心潮起伏，实现心愿的喜悦，很快被忧国忧民的沉重所取代。
为了洗刷“国耻”，在当时一部分中国知识青年学子看来，只能忍辱负重，走留学之路。卢嘉锡下定决心，一定要珍惜时间，利用宝贵的学习机会，把外国的先进科学技术学到手，然后，为祖国的强大，贡献自己的全部智慧和力量。
邮船在海洋上颠簸了一星期后，到达新加坡作短暂停靠，乘客可上岸逗留两日。
“嘉锡！嘉锡！”
卢嘉锡刚登上码头，就听到有人叫自己的名字，抬头一看，原来旅居新加坡的厦大同学张述应约来接他了。异国他乡，好友相见，兴奋之情溢于言表，两个人执手叙旧，卢嘉锡顿时忘了旅途的劳累。
正值初秋季节，新加坡空气清爽，景色宜人。卢嘉锡在张述的带领下，游览了城市风光。
第二天，张述带卢嘉锡拜访厦门大学创办人陈嘉庚先生。卢嘉锡自小敬重陈先生的高风亮节，能有机会当面聆听先生教诲，真是让他万分激动。
著名华侨领袖陈嘉庚在新加坡创办了很多所华侨学校，他一直关心的就是兴办教育，培养人才。抗日战争爆发后，他立即发起组织了新加坡华侨筹赈会，并被推选为主席。每天，他都要奔走各地，组织各种活动，处理有关事务。在这种时候，他仍旧乐于接受一个素昧平生的青年学生的拜访，更让卢嘉锡感动。
见面后，陈先生首先问起卢嘉锡一路上的见闻和感受，卢嘉锡就把日寇进攻淞沪和在船上遭外国人讥骂的情形，以及自己的愤怒、决心一一诉说了。陈先生听得十分认真，脸上不时掠过一缕悲愤和苍凉。听完后，他语重心长地说：
“嘉锡，国家贫弱，她的人民才遭人欺辱，要记住，到英国后，一定要刻苦用功，将来学成了，早点回来报效祖国，千万不要忘本，千万不要忘了自己的祖国正在灾难中苦苦挣扎。”
“先生，我记住了，您放心吧！”嘉锡坚毅的脸庞上，缓缓地流下了两行热泪。
这次谈话后，卢嘉锡更加坚定了“科学救国”的信念和留学报国的志向。
9月24日，1个多月漫长旅程终于结束了，邮船顺利抵达英国，并经由泰晤士河上溯到伦敦。
从此，一条通往崇高的科学殿堂、构筑辉煌的人生大厦的道路，在卢嘉锡的脚下，次第延伸……
初到伦敦，卢嘉锡来不及欣赏异国风情，匆匆前往中英庚款公费留学生管理机构报到。例行手续后，管理人员挥挥手说：“伦敦大学学院就在附近，请自己去找吧！”
出了门，卢嘉锡沿着大街慢慢地向前走。伦敦不愧为世界名城，街道宽广，车来人往川流不息，高楼大厦巍峨耸立，各种招牌流光溢彩，到处充满生机活力。想起贫穷落后，残破不堪的祖国，卢嘉锡心头感到异常沉重。他知道，在这个陌生的地方，他要比在自己的国家更坚强，更勇敢，因为他的尊严代表祖国的尊严。
走不多远，“伦敦大学学院”的牌子出现在眼前。进入校园，有一条通往学校化学系的小路，路上有一座精致的拱桥。卢嘉锡刚刚走上桥顶，迎面有人微笑着和他打招呼：
“你就是从中国来的卢嘉锡同学吧？”
“是的！”卢嘉锡感到有些奇怪，出国以来，这还是第一个主动和他打招呼，对他笑脸相迎的外国人。
“我叫萨格登，化学系的，今后你就是我的学生了。我正准备去留学生管理机构接你呢！”个子不高、气质儒雅的萨格登教授看到卢嘉锡满脸诧异，忙自我介绍了一番。
“老师，太谢谢您了。”卢嘉锡被这位50多岁的异国学者感动了。
“走吧，我们一起到系里去！”萨格登教授亲切地拍了拍卢嘉锡的肩头说。
萨格登教授是英国皇家学会会员，一向执教严谨。卢嘉锡在大学时代就受过“C3H3”训练，做事从不马虎拖拉，因此很快博得导师喜欢，随着时日的增加，师生感情日见深厚。卢嘉锡不满足于跟自己的导师学习物理化学，还经常到学院以外去听课，特别是听热力学家古根海姆的课，笔记做得格外认真。一方面，卢嘉锡有着强烈的求知欲；另一方面，他认为多学一些知识，是祖国和人民对自己的重托及期待。
入学后不久，导师问卢嘉锡：
“你在国内做过研究吗？”
“做得不多。”卢嘉锡坦诚答道。
“我所研究的大体上有热力学、磁化学和放射化学三个方面，你最感兴趣的是哪个呢？”
“我可以考虑一下吗？”卢嘉锡觉得一时之间难决定。
“当然可以。”萨格登教授微笑着点了点头。
第二天，卢嘉锡告诉导师：他希望从事放射化学研究。因为新领域新问题对他更有吸引力，教授对弟子的选择非常赞赏。从此，卢嘉锡除听课外，就在导师指导下着手人造放射性研究。
在大量踏实的研究工作基础上，卢嘉锡完成了他的博士论文：《放射性卤素的化学浓集法》。1939年，这篇论文发表在国际权威刊物《化学会志》上。在人造放射性领域，卢嘉锡是最早实际进行定量研究工作和首次成功地分离出放射性高度浓缩物的化学家。
两年后，卢嘉锡的论文通过答辩，获得伦敦大学哲学博士学位。公费留学期限还有1年，卢嘉锡想充分利用这剩余的时间到德国做研究工作。当他把自己的想法告诉萨格登教授时，这位善良慈爱的导师摇摇头说：
“不，不，你应该到美国去！”
“为什么，老师？”
“因为物理化学发展最快的是美国，而不是德国。”
“我想抓紧一切时间多学点东西，既然美国更合适，我当然愿意。”
“我有个朋友叫鲍林，在加州理工学院，我可以介绍你到他那儿去！”
热心的萨格登教授随即给好友写了封信发往美国。半个月后，鲍林教授回信表示欢迎卢嘉锡到他那里去工作。
1939年秋天，在一个天气晴朗的日子，卢嘉锡告别他的第一位导师萨格登，横渡大西洋，奔赴北美大陆。
鲍林是20世纪杰出的化学家之一，量子化学的创始人之一，还对分子生物学和生物化学的发展作出过划时代的贡献。作为一位化学家，他曾荣获1954年诺贝尔化学奖；作为一位坚强的和平战士，他在1962年，荣获了诺贝尔和平奖。
1939年秋，当卢嘉锡来到理工学院的时候，年仅38岁的鲍林教授在国际上的知名度还不太高，或者说离他一生最辉煌的时期为时尚远，但他已完全具备了一个优秀、成熟有着光辉前景的科学家所应具备的全部素质和条件。
在加州理工学院，卢嘉锡被接纳为客座研究员，跟随鲍林学习，并在他的指导下从事研究工作。很快，他发现鲍林教授有一种独特的化学直观能力：只要给出某种物质的化学式，就能大体上想象出该物质的分子结构模型。这一发现无形中“催化”了卢嘉锡在大学时形成的朴素的“毛估”思维。
这一时期，卢嘉锡在掌握了从事晶体结构研究的X射线衍射法和电子衍射法等手段的基础上，先后承担了多项研究课题，并屡屡获得成功。他经常以简洁明晰的思路，巧妙新颖的方法迅速完成研究任务，表现出他在实验性基础研究方面的出色才能。
加州理工学院的生活是紧张而愉快的。卢嘉锡除了完成各项研究工作，还经常去听鲍林教授的量子化学课，并且一如既往地认真做笔记。
一次，讲完课，鲍林把卢嘉锡叫到自己身边，问道：
“你对量子化学感兴趣？”
“是的，我在伦敦时就开始利用业余时间自学这门知识。”卢嘉锡一边说，一边把留英时的量子化学笔记本拿给鲍林看。
“OK，你的笔记做得非常好。以后，你如果离开加州，就把这几本量子化学笔记留给我做个纪念。可以吗？”
“当然可以。”得到导师的夸奖，卢嘉锡心里很高兴，他毫不犹豫地答应了这个请求。
1940年夏，公费留学期满，卢嘉锡牢记“学成归国、报效祖国”的誓言，打点行装，准备回国。订好船票后，卢嘉锡去向导师辞行。鲍林已经听说卢嘉锡动身在即，他考虑良久，诚恳地劝道：
“你回国心切，这一点我能够理解！可是你的祖国正在打仗，你回到那里很难开展研究工作，不如暂时留在这里，等战争结束后再回去。”
“老师，我的祖国遭受战乱，身为远游学子，我心中异常痛苦！我热爱科学，更热爱我的祖国啊！”心潮起伏，一时再也说不出话来。
鲍林轻轻地拍了拍他的肩头：
“嘉锡，我不希望你现在回去，你再好好考虑考虑吧。留下来，你可以进步得更快，等战争结束了再回去，一切都来得及……”说完，他慢慢走出门去，他知道，卢嘉锡此刻最需要的是有个平静思考的时间。
祖国躯体上的伤痕，更深地烙印在每个壮志未酬的赤子心中，卢嘉锡心里很清楚，导师说的是对的：就算他此刻回去，也还是于事无补！
考虑再三，卢嘉锡暂时打消了回国的念头，继续留在鲍林身边学习、工作。
1944年，卢嘉锡应聘到华盛顿附近隶属于美国国防研究委员会第13局的马里兰研究室工作1年。为了便于随时回国，他拒绝了美国当局要他参与原子弹研究工作的请求，而是选择了一般性的国防研究工作。1年时间里，他在燃烧和爆炸方面研究取得了极其出色的成绩，获得美国国防研究委员会颁发的“成就奖”。
结束马里兰的工作后，卢嘉锡又回到了加州，受聘到加州大学和加州理工学院任化学研究员，开展化学热力学方面的研究工作。
1945年秋，第二次世界大战宣告结束，中国人民的抗日战争也已取得最后的胜利。卢嘉锡归国心切，他很快辞去国外的聘任，舍弃优越的待遇和科研条件，迫不及待地搭乘第一艘客货两用海轮，满怀科学救国的热望，于1945年11月12日，离开旧金山，踏上了归国之路。
