乡村塾师的学识终究不能满足丁文江的求知心，而1898年的维新运动以及随之而来的政变等一系列变动，也给丁文江未来道路的选择提供了新的可能。丁文江或者是他的父亲已预感到继续在科举的道路上爬行，或许是条不通的路，于是丁文江虽然成绩优异，但他无意继续参加生员考试，而准备离开乡村，到上海南洋公学深造，这是中国第一所完全采用西方学校教程的中学，并与西方特别是美国的大学教育体制接轨，从那里可以很方便地到美国留学。
在丁文江将要启程前往上海的时候，新任泰兴知县龙璋闻丁文江资质不凡，遂嘱丁父携入衙门，试以《汉武帝通西南夷论》。丁文江下笔如神，议论风生，多所阐发。龙大叹异，许为“国器”，即日纳为弟子，力劝他不要再到南洋公学耽搁工夫，而是应该直接、尽快出洋留学。
丁父既然同意丁文江到上海，显然对丁文江出国留学早已有了心理准备；而且他既然同意带儿子到县衙门面试，显然对龙璋的建议不仅不会反对，可能有正合我心之感。唯一使丁文江稍感困难的是家庭原因，一是他的母亲先一年去世，使他觉得在居丧期间或许难以成行；二是出国留学毕竟不同于到上海读书，其所需的费用对于丁家来说无疑不小，至少会减少家中其他子女求学的机会。当时，丁文江的哥哥文涛也想出国留学，然而雄心勃勃、聪明绝顶的弟弟却先发制人对他说：“不有居者，谁侍庭帏；不有行者，谁圆国事？家与国，尔与我当分任之。”
在龙璋的帮助下，各种难题逐一解决。1902年秋，15岁的丁文江便随龙璋的表亲胡元俊（子靖）前往日本，开始了他的留学生涯。
时间飞快地消失了，不知不觉间，丁文江在日本度过了三个春秋，只是在这三年中，丁文江并没有像人们期待的那样，将精力完全用于对科学的追求上，而是不自觉地投身于现实政治，追随梁启超鼓吹改良中国政治，改良中国社会，促进中国的文艺复兴。
丁文江等留日学生的这一处境引起了老革命家吴稚晖的注意。这位老革命家原本也在日本，后因反满革命而被日本政府驱逐出境，流亡苏格兰。在那里，吴稚晖研究进化论和古生物学等道地的西方知识，所以他对日本留学生“终日开会，吃中国饭，谈政治，而不读书”很不满意，遂于1904年致信丁文江等留日学生设法到英国去。
吴稚晖的建议引起了丁文江等人的注意，再加上1904年初在中国的土地上爆发的日俄战争，其结果也使留日学生感到莫名的尴尬、羞愧与自豪。自豪的是亚洲人能够击败强大的沙俄帝国，羞愧的是对比昔日被鄙视的岛民所取得的荣耀，中国竟是如此的软弱无力。丁文江和他的朋友们被街上所遇到的日本人对他们发出的嘲笑深深地刺痛了，因此他不仅执意离开日本前往英国，而且他的野心是到那里学习海军，将来做一名海军指挥官，或许有机会与日本人在海上决一胜负。
1904年春夏之交，丁文江等人从日本来到英国，很快接受一位朋友的建议，到东部林肯郡的斯堡尔丁读了两年中学，第一次得到了西方知识最直接、最认真的介绍，奠定了后来进一步深造的基础，1906年顺利得到进入英国最高学府剑桥大学的资格。
尽管丁文江有中国政府提供的奖学金，但“从不额外照顾穷小子”的剑桥大学的高昂费用还是让丁文江吃不消。第一个学期结束后，丁文江主动辍学，转赴欧洲大陆游历。几个月后，于1907年春天转入风气质朴的格拉斯哥大学，开始专心致志学习动物学、地质学、地理学等。
1911年初，丁文江获得格拉斯哥大学动物学和地质学双学位，迅即准备返回离别九年的祖国。这九年的时间，丁文江从一个聪明伶俐的十五岁少年，变成一个满脑子现代专业知识、欧化最深、风度翩翩的成年男子。
