1926年春、夏两季分别获学士和硕士学位。[2]1927年，周培源入美国加利福尼亚理工学院继续攻读研究生。他先从师贝德曼，后改从数学家埃里克·坦普尔·贝尔(Eric Temple Bell)，做相对论方面的研究，并参加数学谱系计划(Mathematics Genealogy Project)，次年获理学博士学位，毕业论文题目为《The Gravitational Field of a Body with Rotational Symmetry in Einstein's Theory of Gravitation》[1] ，并获得最高荣誉奖(Summa cum laude)。[2]

1928年秋，他赴德国莱比锡大学，在沃纳·海森堡(Werner Karl Heisenberg，1932年获得诺贝尔物理奖)教授领导下从事量子力学的研究。[8]1929年，赴瑞士苏黎世高等工业学校，在沃尔夫冈·泡利(Wolfgang E.Pauli，1945年获得诺贝尔物理学奖)教授领导下从事量子力学研究。[8]

1978年3月开始担任中国科学院副院长(至1981年5月)[10] 。6月27日，中共中央批准，周培源正式就任北京大学校长[11] 。10月7日周培源为团长的中国教育代表团抵达美国西海岸城市旧金山，主要参观、访问了斯坦福大学和加州大学伯克利分校等大学 。

在广义相对论方面，周培源一直致力于求解引力场方程的确定解，并应用于宇宙论的研究。早在二三十年代，他就求得了轴对称静态引力场的若干解，与静止场不同类型的严格解，并于1939年证实，在球对称膨胀宇宙中，若物质和辐射处于热平衡态，则宇宙必为弗里德曼宇宙。70年代末，他又把严格的谐和条件作为一个物理条件添加进引力场方程，求得一系列静态解、稳态解及宇宙解。还指导研究生进行了与地面平行和垂直的光速比较实验，以探求史瓦西解和郎曲斯解哪一个更符合静态球对称引力场的客观实际。初步结果已显示出，郎曲斯解与实际相符。80年代，周培源致力于广义相对论的基本问题，即经过坐标变换联系起来的几个解，究竟应该是一个解还是几个解。他对照流体力学中保角变换，认为这种情形应该是几个解而不是一个解。产生这种不确定的原因在于爱因斯坦方程缺少必要的坐标条件[15] 。