1896年，伍连德参加女皇奖学金选拔考试，以第一名的成绩拿到了通往剑桥大学的通行证。起初家里不放他走，特别是他妈妈比较保守，怕他剪辫子，怕他找一个洋媳妇。父亲也担心他身体不能适应。后来在二哥的坚定支持下，他最终踏上了去英国读书的路。
伍连德靠着200英镑奖学金，来到英国剑桥大学苦读。同一时间，他的二舅被派到英国建造军舰。家里的五个舅舅最让伍连德骄傲，因为五兄弟同在北洋水师服役，这在当时也极为罕见。三舅林国裕在中日甲午战争中牺牲，二舅林国祥是广宇舰的管带，在作战时受了伤。初到英国的伍连德生活窘迫，二舅有时就带他改善伙食。他受二舅影响很大，二舅的部下们也都具有强烈的爱国心，并且跟伍连德年纪相仿，经常给他讲甲午海战的事。少年伍连德受到很大触动，立志要像他们一样报效祖国。
只用了五年零三个月，伍连德便完成了原本需要七年完成的学业，成为1896届剑桥大学135名医学生中第一位获得医学学士学位的学生。此后他又在利物浦热带病研究所参与科研，并且赴欧洲大陆分别在德国哈勒大学卫生学院、法国巴斯德研究所进修，年仅24岁就获得了医学博士资格。1905年，伍连德在剑桥大学一共获得五个学位：文学学士、医学学士、外科学士、文学硕士和医学博士。
歧视，激起更多爱国心
临回国之前，伍连德看到槟城招收行政医官，意气风发的他做好了应聘的准备。没想到主事人看了他的学历、奖项，以及各种研习经历后对他说，“你完全够格，但是你不能担任行政医官，只能做助手。”伍连德惊问为什么。“根据规定，医生只能由纯英国血统的白种人担任。”伍连德目瞪口呆。对华人的歧视极大地触动了伍连德，也在他心底烙下印记——“祖国！只有中国，才是自己的祖国。”
后来伍连德去吉隆坡热带病研究所进修时，遇见了一位令他怦然心动的女孩。女孩叫黄淑琼，她的爸爸黄乃裳是福建著名侨领、维新派代表人物。像她这样出身良好、中西合璧、相貌不凡的女子，当时有很多追求者，作为一个刚毕业的小医生，伍连德最不被看好。没想到让两颗年轻的心彼此贴近的是共同的背景和爱国情怀。一次谈天时伍连德说起他的两个舅舅都参加过甲午海战，越说越激动。一转头却惊呆了。一旁的黄淑琼正在流泪，一问才知道她的三叔黄乃模也参加了甲午海战，是邓世昌“致远舰”的副管带，壮烈牺牲。同样热切的爱国之情在两人心头涌起。
1905年，伍连德与黄淑琼在新加坡举办了婚礼。婚后返回槟城行医。他看到很多华人都吸毒、赌博，便立志改变家乡面貌，希望华人能振作起来。伍连德提倡反毒反赌，年纪轻轻就当了槟城反毒协会的会长，和好友一起办报纸宣传禁毒。后来遭到利益集团的诬告，英国法官非常蛮横无理，“判你有罪就是有罪”。
就在这时，伍连德接到直隶总督袁世凯发来的电报，请他到中国出任陆军军医学堂帮办。很快，伍连德关掉医院，订了船票，启程回国。他感到自己对中国知之甚少，临上船前买了很多关于中国的书籍，利用在轮船上的一个半月“恶补”。
听伍大人的！
伍连德在故友程璧光的引荐下，成为陆军军医学堂帮办。他开始不知疲倦地工作，同时下决心一定要学好国语。他采用西方国家重视实践的办法，健全实验室和建立临床门诊，让学生多动手多观摩。短短两年，陆军军医学堂迅速摆脱日本人的影响，成为现代化的医学院校，开始为中国军队输送合格的军医。
当年的伍连德，只要在北京，就会骑上自行车，从东堂子胡同的家中出发，经过故宫、景山、北海，来到中央医院（现北京大学人民医院）工地，晚上再骑车从原路返回。中央医院建成后，赢得一片盛赞，尤其是像电梯、暖气、X光机，这样的超前配置，老百姓大多都还没有见过。
伍连德在东堂子胡同4号居住了20余年，将自己最宝贵的年华奉献给中国的卫生防疫事业。洛克菲勒签订筹建协和医院后，伍连德在这里开家宴，夫人黄淑琼主持接待洛克菲勒基金会一行人，高朋满座，宾主尽欢。
伍连德在东堂子居住期间，经常是上海、北京两地跑。当时上海发生了一次霍乱，发现零号病人是一个海员。那时外国人霸占着海关检疫权，对中国人和外国人两个政策，外国人随便进，检都不检。伍连德力主拿回检疫权并出任海关检疫处处长。黄建堃听家人说起过，“现在吴淞口的小白楼就是当时的海关检疫处，停在吴淞口的轮船经过检疫才可以进来，而且当时还在那建了个医院，一旦发现病人当时就能处置，不会传进来。”
