弗洛伊德以极高的分数通过了大学入学考试以后，于1873年秋天进入维也纳大学医学院，这使他有了更多的选择空间，因为这个学院不仅培养希望成为医生的人，也同样致力于培养从事研究工作的人。
弗洛伊德有很长一段时间不让自己太固定走哪一条路。他经过了三年不很艰难但漂浮不定的选课历程。常人通常花五年时间就可以毕业，而他却花了八年时间。当前途看似很黯淡时，他才集中精力投入到医学上面去。他有一次承认道：“我在幼年之时，根本不知道如何帮助受苦的人类。”
他的笔记透露出他在不停地探索，全神贯注于一些学科，以及研究一些可能给他带来成功的学科，这是他和别的同学大不相同的特点。另一个特点是他显然对女人没有兴趣。除此以外，正如他写给西伯史坦的信中所透露的：他是一个反对偶像崇拜的少年，他对于皇帝及其虚饰排场大为不满，藐视既有的宗教。他说，我也许和真正的意大利人一样憎恨教皇、祭司和安息日。他是一个典型的理想主义者，他偏激的热心经常融于保守主义里。
任何认为放弃法律和政治是不智之举的想法，很快就消失得无影无踪了。他高中时开始了解到一个寄人篱下的民族是怎样的一种滋味。现在，在大学里，他发现反对闪族的浪潮更加高涨了，但是这情况却给了他有用的教训。他叙述道：“我已经习惯了别人的反对以及被置于‘团结的大多数’限制情况下，我已经有了某种程度的独立判断能力。”
我们不能低估这种一直存在着的种族歧视对弗洛伊德的长期影响。这强化了他对成功的希望，也强化了他的犹太人特质。不过他在学生时代，却很少觉得自己被抑制。
弗洛伊德花了很多笔墨，告诉西伯史坦他在大学的生活和工作。他经常提到哲学这门不是医科学生必修的课程。弗洛伊德偏好科学的研究。1874年夏天，他写信给西伯史坦说道：“我已经决定了，我父亲也同意，如果环境许可，冬季学期我要去柏林上柏伊斯·雷蒙、海姆豪兹和威尔乔教授的课。我高兴得好像一个小孩子，绝不会轻易放弃这个计划。”弗洛伊德选择这样两位生理学家和一位病理学家的课，足以显示他思想的转移方向。因种种原因，最后弗洛伊德放弃了赴柏林的计划，大概是因为环境的关系，也可能是经济上不许可。所以他在第三学期——1874年冬季，选了一门布兰他诺博士的哲学课。
布兰他诺的课的重要性不能一笔带过。这位哲学家的主要研究工作是“以经验主义的观点看心理学”。他发表了两篇冗长的讨论潜意识并反对它存在的论文。弗洛伊德开始认真地研究这一门课，以后一连四个学期，他上哲学课一直特别注重这个问题。当他和同伴约瑟·帕尼斯深入研究这个主题时，他对布兰他诺教授的尊敬日益增加。
弗洛伊德认真研究哲学，但他研究医学的倾向并未受到影响，反而由于英国之行而更加清晰。他的父母在两年前就提过这趟行程，大概子女通过了大学入学考试，当家长的总会特别安排鼓励一下，这也是一种传统。但是，因为环境的影响，直到1875年，弗洛伊德才到了英国的曼彻斯特。他两个同父异母的哥哥十六年以前已移居该地。
我们不知道他在英国受到的最大影响是否来自他两个同父异母的哥哥，或是曼彻斯特的生活，还是他从未记载的一些特别的事情。总之，他回来以后就决心致力于医学研究。这是他的妹妹安娜后来透露的。她在老年时回忆道：“在英国，西格蒙德想清楚了，他立志回到维也纳后要攻读医学。父亲不满意这个决定，父亲说：‘西格蒙德的心太软，将来不能胜任这个工作。’但是哥哥已经下定决心，他当时打算做研究工作。他的回答是：‘我想要帮助受苦的人们！’”
1875年，弗洛伊德很高兴地回到了维也纳，开始迅速修改他的秋季学期计划。虽然他继续上布兰他诺教授的哲学课，但却花更多的时间在生理学、解剖学和实用动物学上。他开始在卡尔·克劳斯的比较解剖学研究室上课。克劳斯两年以前刚从哥廷根来到维也纳，对未来充满了信心，计划使研究室赶上时代；他在1876年3月把他想要解决的第一个原始实验交给了弗洛伊德。
两年以前，波兰的科学家西蒙·塞尔斯基博士宣布他在公鳗鱼身上已经找到了一个小小的瓣状突起器官，即睾丸。而克劳斯要弗洛伊德做的，就是察看那位波兰人的观察结果是否正确。弗洛伊德后来写道：“没有人发现过一条成熟的公鳗鱼，尽管许多世纪以来有无数的人在努力，但依然没有人看到过鳗鱼的睾丸。”现在，塞尔斯基博士已经找到了一个小小的瓣状突起器官，似乎就是那令人难以捉摸的睾丸。
大部分实验工作，克劳斯都是在一特定的动物实验室进行。弗洛伊德跟随克劳斯进行了两个学期的实验。克劳斯每学期会选派优秀学生到他的实验室去。弗洛伊德一连两学期被选派的事实，说明了克劳斯对他的能力极为赏识。
弗洛伊德于1876年9月间回到了维也纳，带回了他第一篇科学报告的材料。克劳斯于1877年3月向科学学术会提交了这份报告。弗洛伊德做得非常好。那份报告被人形容为“一直是很自信的，有些地方甚至于自负”的证实了塞尔斯基的论点。但是几个月以后，弗洛伊德就离开了克劳斯，以一个研究生身份投入生理学家恩斯特·布鲁克的生理学研究室。这个行动对弗洛伊德个人命运有重要意义。
恩斯特·布鲁克对于他的年轻学生有着无比深远的影响。他是一个特殊的人，赢得了弗洛伊德的“敬”和“爱”。他身材矮小，一头红发，清澈的蓝眼睛，总是带着令人难以捉摸的微笑。弗洛伊德认为他是自己所遇见的最伟大的权威学者。在布鲁克的实验室里，弗洛伊德度过了他生平最快乐的时光。
弗洛伊德从克劳斯门下转到布鲁克门下最可能的理由是：受了海姆豪兹学派（海姆豪兹是当时著名的生理学家）的影响，而布鲁克就是其中极热心的一员。也可能是因为他对研究动物学时不可避免的脏乱产生了反感。
不论弗洛伊德转到布鲁克研究室的复杂理由是什么，但他不曾后悔过。他后来回忆道：“在恩斯特·布鲁克的生理学研究室里，我终于找到了归宿和全然的满足。我也遇见了值得尊敬和引为典范的人们。”
在布鲁克的研究室里，弗洛伊德见到了约瑟·布劳尔，他被誉为“创造精神分析”的医生。布劳尔比弗洛伊德大十四岁，1871年就在维也纳开了一个私人诊所，两人见面时布劳尔的事业正如日中天。
弗洛伊德加入时，布鲁克的研究室极为简陋。研究机构设在原制造枪械的建筑物的地下室和一楼，里面有一间演讲大厅、两个邻接的小办公室和几间小房间，有些房间甚至没有灯。加热化学药品必须用一个酒精灯，唯一的水源是一口井，每天早晨由专人汲取。布鲁克在环境非常艰苦的情况下开展研究，对维也纳成为医学中心奠定了坚实的基础。在这里，弗洛伊德开始由研究神经细胞入手，再由对神经性疾病的研究进入对神经性官能病的探讨，最后他致力于分析人的思想和意志的工作。
弗洛伊德的第一个工作，是研究八目鳗幼鱼的脊髓中的大神经细胞，这个研究对生物学有重大意义，因为它和被人争论不已的达尔文《物种起源》中的假设有关联。达尔文的进化论认为“高等动物是由低等动物进化而来”。如果达尔文的学说正确的话，那么人类的神经系统虽然有着比低等生物更为复杂的构造，却应该有相似的基因。
1880年，他将研究的范围伸到对淡水蟹的神经系统的研究。这项工作使他窥见神经系统解剖上和功能上的单位是单一的细胞加上它的延伸。这个发现直到1884年才被威汉·华德耶发扬光大。
每个身体健康的奥地利男人都要入军营两次，1880年弗洛伊德也必须接受一年的义务兵役征招。对于医学院的学生来说，这一年真是索然无味，他们的主要任务是在军医院中值班，下班以后仍可待在家里。可是，由于弗洛伊德连续八次没有请假便外出，在1880年5月6日，也就是他二十四岁生日时，他被宪兵逮捕了。
但在他服役的这一年中，也有一些很得意的事情——他前几年热心地跟随布兰他诺做研究，现在开花结果了。他受委托将英国哲学家兼经济学家约翰·斯图亚特·密尔的著作翻译成德文。
事情是这样的：
维也纳大学的历史系教授西奥德·冈柏正在编辑一套德文外国名著专集。准备开始第十二卷翻译工作的伊多德·威沙尔突然去世了，冈柏向布兰他诺提起他正在物色一个替代的人。弗洛伊德后来写道：“布兰他诺……提到我的名字。”在1880年秋冬季节，在弗洛伊德厌烦的服役中，至少因为担任这项学上的工作，使他在精神上获得了舒缓。他翻译的方法是：阅读一个段落后把书合上，然后思考一个德国作家应如何表达同一个思想，最后才用德文写下。
弗洛伊德服役期满回到大学后，决定要得到医学学位。虽然他从英国旅行回来后就立志要帮助人类减轻痛苦，但却不见得对当医生有特别的兴趣。事实上，他自己也承认，他以漫不经心的态度去研究医学，曾经做各方面的医学研究，但却没有认真地定下心来好好想一想具体朝哪一方面发展。他从不怀疑自己身负重大的使命，但是，他仍然不能确定这个使命到底是什么。
他可以找到许多理由去鼓励自己争取医生的资格。比如他崇拜的许多科学家，大多数都得到了医学博士学位，而却不一定都开业行医。此外，他还考虑到他个人的名誉——很多认识他的人都认为他是一个游手好闲的人，而且怀疑他是否能通过大学毕业考试。
但弗洛伊德通过了考试。1881年春天，他在感人的毕业典礼中接受了医学博士学位。他的家人都出席了。