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“像我这样的人不能缺乏爱好和满腔激情……”
——西格蒙德·弗洛伊德致信威廉·弗利斯，1895
弗洛伊德的学术兴趣如此广泛，以至于他在上大学的时候（十七岁），还不能确定自己将朝哪个学术方向发展。他的老友海因里希·布劳恩建议他成为一名律师，但弗洛伊德觉得科学对自己有一种更天然的吸引力。这道难题总算在他参加一次公开讲座时得以解决。在这次讲座上，有人大声朗读了一篇关于自然的文章，弗洛伊德认为这篇文章是歌德所写[但实际上可能是由格奥尔格·克里斯托弗·托布勒（Georg Christoph Tobler）写的]。弗洛伊德用“美妙动人”来形容它，并得出结论：自己应该学习医学。
他于1873年进入维也纳大学学习，但这段经历实在乏善可陈。除了需要忍受更强烈的反犹主义氛围以外，他还很快意识到，自己对所有细枝末节的医学知识都不感兴趣，而是想要追求更普遍的科学真理。尽管他对妹妹安娜口口声声地说“我想要帮助受苦的人”，但他的注意力很快就从自己的学位课程转移到了更艰涩深奥的科学研究项目上。结果，他花了整整八年时间才获得医学学位。例如，在1876年，他获得了一笔研究经费，用以支付他前往的里雅斯特的旅费。在那里，他与著名的达尔文主义者卡尔·克劳斯（Carl Claus）共事于同一个动物学研究站，解剖了数百条鳗鱼以研究它们的性器官。如果这是一场梦的话，那么弗洛伊德在他之后的职业生涯中可能会充分重视其丰富的象征意义。
1877年，弗洛伊德回到维也纳，任职于恩斯特·布吕克（Ernst Brücke）的研究实验室。布吕克是机械主义（mechanism）学派的领军人物之一——该学派认为，所有的生命现象都源于无机物所受制的物理和化学规律。无论是在思想上还是在职业发展上，布吕克都对弗洛伊德产生了深远的影响。在他的指导下，弗洛伊德成为了组织学（研究有机组织的学科）和神经生理学（进行与神经系统有关的研究）的专家。尤其是，他研究了人类与青蛙神经细胞之间的异同，得出的结论是，高等生物和低等生物的神经系统是由相同的基础材料构成的。换言之，人类之所以为人类而非青蛙，不是由于人与青蛙的组成成分截然不同，而仅仅是因为人的生理机能更复杂。
弗洛伊德在布吕克的实验室一直工作到1883年。1882年距离他大学毕业刚好过去了一年，也恰逢是兵荒马乱的一年。弗洛伊德刚刚认识朋友的妹妹——玛莎·伯纳斯，并爱上了她。两人很快就订婚了，弗洛伊德转而考虑如何才能养活自己的妻子和小家庭。布吕克直截了当地告诉他：即便是在行情最好的时候，医学研究的报酬也不高，继续留在自己的实验室里几乎没有晋升的可能，而弗洛伊德在其他地方的晋升机会也受到周围反犹主义浪潮的严重阻碍。
弗洛伊德于是下定决心，寄最大希望于通过他迄今为止尚未能实施的方式开展医疗实践。他在维也纳综合医院找到了一份工作，以期在进军利润更高的私人诊所领域之前，积累自己的实践经验。然而，他还是很难喜欢上临床医学，哪怕是在德高望重的赫尔曼·诺特纳格尔（Hermann Nothnagel）的指导下，对弗洛伊德而言，外科医学也是非常枯燥乏味的。
不过，他的下一步动作却收获颇丰。1883年，他加入了西奥多·梅纳特（Theodor Meynert）的精神病学部门。在梅纳特的帮助下，弗洛伊德意识到自己对神经病理学（对神经系统的异常进行研究）抱有浓厚的兴趣。梅纳特坚信某些形式的神经症是可逆的，这也为他这位杰出的学生之后的研究提供了参考。弗洛伊德渐渐找到了自己的专业立足点，这让他无比兴奋，正如这一时期他在给玛莎的信中所写：“我非常固执且鲁莽，需要艰巨的挑战。”他在1884年向她写道：“我做过很多事，任何理智的人都一定会认为这些事情非常轻率……我的生活方式就是，冒巨大风险，抱极大希望，做大量工作。我早就失去了普通世俗意义上的常识。”
同年，他研究了一项在显微镜下对脑组织进行染色的创新技术——这一发明为他在同行中赢得了很高的声望，尽管这一染色过程很难达到完美。他给玛莎写信道：“如你所知，探险家的气质是由两种基本品质组成的：尝试中的乐观主义，工作中的批评精神。”1885年，弗洛伊德应邀前往巴黎，在著名神经学家让–马丁·沙可（Jean-Martin Charcot）的指导下于萨尔佩特里埃医院进修，这是他职业道路上的重要一步。