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初到日本后，范旭东因语言不通，先是到日本清华学校学习日语兼学政治、哲学、数学等其他学科知识。这所学校原系日本高等学校，因得华侨资助而改名为“清华学校”。
1905年，范旭东考入大学预科学校日本冈山第六高等学堂学习医学。范旭东和当时的鲁迅一样刚开始都认为应该用医药来救治国民，让国民有一个健康的体魄，后来也都发现国民仅有健康的体魄是不够的。
已经成年的范旭东虽然身在海外但心系中国，他改原名“范源让”为“范锐”，立志锐意进取、救国救民；改原来的字“明俊”为“旭东”，立志像旭日东升般朝气蓬勃。“当时联军入侵，国势垂危，公满腔热血，远走异域，但头脑仍极冷静，分析国内外情况，无不在寻求救国之道”
。
梁启超这时也在日本流亡，他在日本创办了《清议报》《新民丛报》，积极宣传新思想新学说。因为哥哥范源濂是梁启超的高徒，范旭东也常常和哥哥
一起或独自向梁启超请教，梁启超对范旭东也很欣赏、关心，甚至用自己的稿费来接济范旭东的学费。在梁启超的影响下，范旭东编译了《经国美谈》《佳人奇遇》等文章发表在梁启超主编的报纸上，提出废除八股、改革科举、自由办报、奖励科学发明、办工厂等主张。
范旭东还担任了杨笃生创办的《游学译编》月刊编辑，编辑地理类稿件，了解了更多地理知识和世界形势。不仅读万卷书，范旭东还行万里路，他在到日本最初的三四年间游历日本各地，如大阪、熊本、神户、横滨、东京等地，感受日本风土人情，探求日本和中国富强之道。日本经过明治维新励精图治迅速崛起，而中国的出路在哪里？这是范旭东苦苦探寻的问题，他当时常常说：“中国是弱大，日本是小鬼”。
因为范旭东原本身体虚弱，他来到日本后便努力强身健体。他练习武术、游泳，经常骑马在田野间纵横。因为范旭东身材不高，双腿夹住马肚并不容易。有一次他刚骑到马背上就被摔了下来，被送到医院治疗了几个月才痊愈，但之后他还是照样骑马驰骋。他还光着脚板在雪地上行走，“兵操于大森，恒与日人于严冬时，袒裼静坐体育馆中，以锻炼身体”
。此外，范旭东还像蔡元培等革命党人一样学习制造炸药，准备献身革命。在制造炸药的过程中，范旭东了解到化学进而对化学产生强烈兴趣。
毕业时，范旭东想学习军事来救国，便和平时很器重他的日本冈山第六高等学堂校长酒井佐保商量，不料酒井佐保竟然说：“等你学成了，中国早就灭亡了。”范旭东听闻非常气愤，他特意照相立下誓言：“我愿从今以后，寡言力行，摄像做立誓之证”，并在照片背面题字：“时方中原不靖，安危一发，为感而记此，男儿，男儿，其勿忘之”。他也因此“盖本洞烛日本处心积虑以谋亡我，至是救国之心志益坚，后以造兵非根本之计，乃决定循工业救国之途，而以化学为出发点”。
范旭东当时所照相片（张能远供图）
范旭东发现日本强盛和工业发展关系密切，因此开始立志“工业救国”。当时梁启超也主张渐进式变革，要重视国家的基础性建设，日本报纸也在竭力宣传德国利用诺威水力电造硝石取氮，这些对范旭东的人生选择应该也有影响。
1908年，范旭东考入京都帝国大学理学院学习应用化学，广泛深入学习了解了化学，为他将来创办中国化学工业奠定了知识基础。因为他埋头读书，不参加各种社交活动，同学们都对他很敬畏而称他为“怪人”。系主任近重真澄对范旭东也非常器重，近重真澄对古代合金很有研究，范旭东对中国古代冶金的研究颇得他的好评。毕业时，近重真澄推荐范旭东留校担任助教。
范旭东和夫人许馥
经哥哥范源濂介绍，范旭东此时与许馥相识相恋。许馥又名许馨若，也是湖南人，出身长沙望族，比范旭东小一岁，1905年就读于东京青山实践女校附设师范班，是第一批来日留学的中国女生。她与范旭东一见钟情情投意合，从此相伴终生。
工作如意，爱情甜蜜，范旭东当时生活非常舒适，但1911年辛亥革命爆发，国内形势巨变，范旭东得知后非常兴奋，立即决定辞职回国报效祖国。三十多年后，他对此撰文回忆说：“辛亥革命，激动了年轻人的感情，不由得热血沸腾，当时我在日本京都帝国大学做研究工作，早出晚归，生活非常舒适，国内还在激变，一天一个说法，实在叫人难受，趁冬假得暇赶回中国……”
但回国后，范旭东的热血很快就被泼了凉水。