لم يذهب فرويد إلى المدرسة إلا بعد أن ناهز العاشرة من عمره فتعلم القراءة والكتابة والحساب في البيت. وبرع في عدد من اللغات منها اللاتينية واليونانية والإنجليزية، كما تعلم العبرية (وإن كان قد أنكر هذه الحقيقة فيما بعد) ، ودرس التوراة والعقيدة اليهودية في سن مبكرة.

وفي عام 1873 التحق فرويد بجامعة فيينا حيث درس الطب، ولم يكن متحمسًا لدراسته بيد أنه قضى جل هذه الفترة داخل معمل الفسيولوجيا، وكان أستاذه بروكه (مدير معهد الفسيولوجيا بالجامعة) من زعماء مدرسة هلمهولتز الطبية ذات المنحى المادي المتطرف. وركز فرويد في دراساته على العلوم الأساسية كالتشريح وعلم وظائف الأعضاء. بدأ فرويد عام 1873 أول سلسلة من أبحاثه العلمية الأصيلة حيث قام بدراسة الغدد التناسلية الذكرية لثعبان الماء، وقام بإجراء دراسات أخرى في مجال الأعصاب. كما أجرى بعض التجارب عن الكوكايين وكان هو نفسه يتعاطاه ويقدمه لخطيبته وأصدقائه، ووجد أنه يشفي من الاكتئاب ويساعد على التغلب على عُسر الهضم. ونشر عام 1884 ورقة بعنوان «حول الكوكا» تحدث فيها عن خواص الكوكايين التخديرية وربط بين استخداماته العلاجية وبين الممارسات الدينية لمواطني أمريكا الجنوبية وكان فرويد يتصور أنه اكتشف عقارًا سحريًا يشفي كل شيء وأنه من ثم سيتمكن من خلاله أن يحقق لنفسه الشهرة التي كان يبحث عنها. ولكن حينما عرفت المؤسسة الطبية بأمر تجاربه، وُجّه إليه نقد شديد لاستخدامه الكوكايين خارج نطاق العمليات الجراحية.