留学生们到达美国后，便开始了预定目标的学习。清华学校规定他们中80%学理科，20%学文科。1909年第一批庚款留美的47名学生中，学理工农矿的有39人，攻文学、教育、心理、财政经济的仅八人；1910年第二批庚款留美的70名留美生则只有八人学文科，其余都是学工程、理化和农医等类。清华学校对庚款留美生的学业分布也有一个测算，“学理、工、商、农、医的占62.7%(其中学工程的占31.3%，学理科的占9.9%，学商科的占11%，学农医的占10.5%)，学文史哲的占7.2%，学政法的占24.5%(包括政治、经济、法律、教育、新闻等，其中以学经济的比例最大，占9.6%)，学军事的占2.2%”。这种留学生中的自然科学热，很大程度是受美国的影响。当时，美国在教育领域中贯彻实用主义的原则，科学技术被视为国家建设成败的关键，因此，留学生在美国自然受此风气熏染。他们认为美国以实业立国，幅员辽阔，土地肥沃，金银铜铁各种矿产极为丰富，因而只有在工艺工程方面达到先进，才能发掘天然的富产，于是留美生中学工程的就最多了。同时，中国国内满清政府很快垮台了，民国政府成立，新政权面临的是建设新国家的问题，发展实业、引进科学以救国立国成了当时流行的思潮，留美生们也明确提出“中国今日为建设时代，政治须建设，法律须建设，铁路、开矿、实业及一切之事莫非建设问题。故吾人生于今日，……不可不注重实用之学。”因而，留美青年和20世纪初年的留日青年在认识上不同，留日学生通过留学开展反清革命活动；留美生把留学和经济建设结合起来，这是清末民初留学美国的一大特色。1918—1923年留学美国的清华学生李济回忆道：“一般说来，做留学生的都想学点什么，以备回国服务，很少(我不能说没有)预备在美国居住下去。所以在那个时候，每个留学生都有一定的目的，这个目的就是在美国学一点新东西，预备回国以后，能对社会、对国家尽一点责任。”
留美学生大都学习刻苦，成绩优良。茅以升考取清华留美生之前是唐山路矿学堂的毕业生，他到美国康乃尔大学研究院留学，仅用一年时间就获得了硕士学位，令教授们赞叹不已。而且，由于他入学考试特别优秀，校长亲自宣布：今后，凡是唐山路矿学堂毕业来康乃尔大学研究院的，可以免试注册。茅以升为后来者开拓了免试入学的道路。毕业后，他谢绝学校的挽留，来到匹兹堡一家桥梁厂实习。在那里，他一边学习制图、设计，到构件厂、装配工地做工，一边利用业余时间上匹兹堡加利基工学院的夜校，攻读博士学位。由于他勤奋、刻苦，比学校规定的时间提前一年修满了学分。以后，又经过1919年整整一年，他白天黑夜地研究桥梁“第二应力”，撰写博士论文。在年底顺利通过了博士论文答辩，成为加利基理工学院的第一个工学博士，当时年仅24岁！侯德榜1913年由清华学校赴美麻省理工学院留学，1917年获化学工程学士学位，后入柏拉图学院学习制革，获制革化学师文凭。1919年他又到哥伦比亚大学学习化学工程，两年后即获博士学位。他们身上，体现了当时留美生努力求学，以图科学救国的抱负。
在美学习期间，学生们还积极开展各种文体活动，以丰富自己的留学生活。他们经常组织英文演说会，训练运用英文的表达能力。胡适曾是这方面的积极参加者，为此他还在大学二年级时专门选了一门训练演讲的课。他曾这样说：“公开讲演也是个最好的机会，让一个人去训练他自己的写作，训练他作笔记的系统化。这种不同形式的表达方法可以强迫一个人对一项命题去组织他的感想、观念和知识；这样可使他以写作的方式对他要表达的题目了解得更清楚。所以我对公开演讲的好处，曾撰一简单格言来加以概括，这格言便是：要使你所得的印象变成你自己的、最有效的法子是记录或表现成文章。”胡适在演讲方面收益较大，到四年级时，他获得卜郎吟论文奖，这项荣誉由中国留学生取得，在新闻界引起了震动。当时纽约各报都加以报道，这一来社会各界团体都来请他去演讲，甚至美国文化重地波士顿市内的“卜郎吟学会”也来邀请他去演讲。留美学生们经常聚会，举办音乐会、舞会，还自编自演话剧，同时组织体育活动，自办运动会，举行足球、网球、棒球等比赛，体现了他们活泼向上、追求健康的学习生活的精神风貌。这也促进了他们对美国社会的深入了解。这正如1910年的《留美学生年报》所指出的：每次聚会收益颇大，“其尤著者有三，(一)大会之后，精神——振作，友谊——坚固，素不相识者，亦因大会而相知；(二)各校学生会，因运动及款待及演说辩论等之竞争，而团体愈益坚固，明年之预备愈益周密；(三)美国尊敬中国人之心，亦大增加。”当时，从1902年到1918年，留美学生成立了东美留学生会、西美留学生会、留美学生勤学会、公义社、中国科学社等团体，其中尤以中国科学社影响最为深远。
中国科学社是由康乃尔大学的几位中国留学生发起的，起初是《科学》月刊社，发起者们希望通过办杂志介绍美国的科学技术来提高中国民众的科学文化水平，以达到促进中国繁荣的目的。在此基础上他们于1915年10月成立了中国科学社，推任鸿隽为社长。从1916年开始，中国科学社几乎每年举行一次年会以进行学术讨论，联络社员感情、商议社务等。为了鼓励青年科学工作者奋发向上，自1919年起，科学社设立了各种奖金，如高君韦女士纪念奖金、爱迪生电工奖金、何育杰物理学奖金等等，大大激发了留学生向科学进军的勇气和决心。中国科学社的活动一直延续到1959年秋，它对普及科学知识、培养科技人才、推动科学事业的发展以及对科学教育的提倡、教育科学研究的开展都起了积极的作用。
除此之外，留美学生还在暑期开展勤工俭学活动以支付学费和生活费。他们从喂猪、除粪、耘草等农事工作到送水、洗器具、送信、洗衣等杂活都干，大大锻炼了适应生活的能力。
留学生裘昌运在美国威斯康辛大学攻读农科，利用暑假到美国农村参加劳动，在给父亲的信中，谈到这一经历的感受：
暑假解馆，已至半月，跋涉东西数百里，乃来乡就役……每日十二小时之劳动，自揣觉有所不逮，即半日工作，自早及午，已觉劳瘁不堪，午后惟有休养，即脑力亦不堪复用。农事之纲目，则自粪除、饲豕以至耘草收获，不下数十种，儿意在知其大概，始事之言明不愿专司一事，故每日必易其工，他如取水、涤器、送信、浣衣等杂役，亦间亦为之……现在所知农事品目渐夥〔huo火〕……近日酷暑，每至百度(华氏)以上，幸乡间风吹不绝，且极干燥，虽热而无所不适，惟烈日之下，肤色渐由深黄而转炭黑，面部微有瘦削，而肌肉大增，虽不雅观，未始不好现象也。
裘昌运在艰苦的劳作体验中，得到了较大的收获。
留美学生以其聪明才智和刻苦学习的精神，在学业上取得了较为优异的成绩，获誉很高。梁启超曾于光绪二十九年(公元1903年)到美国游历，在他的《新大陆游记》中这样称赞道：“美洲游学界，大率刻苦诚实，孜孜务学，无虚嚣器，而爱国大义，日相切磋，良学风也。”1909年，在威尔斯顿大学学习的10名中国学生，“一年内得一等与二等荣奖者各五名”。到1911年，在美国留学的650多名中国学生中就有323名大学毕业，23名专门学校毕业，72名技校毕业。留学生王宠惠在耶鲁大学获博士学位，是法律科毕业考试第一名。在接受毕业证书时，他代表全校4000多人致答词，这是中国最大的荣誉。胡栋朝在康乃尔大学获工学博士学位，尤其精通铁路学、桥梁学方面的知识技能，得到教师们的称赞，并被选入式马西会，“式马西”是希腊语“认真研究”之意，选入该会，是为了鼓舞学者研究新的理论，当时考入康乃尔大学的学生共3200多人，被选入这个会的不过49人，胡栋朝就居其一，足以为中国自豪。1911年哥伦比亚大学举行毕业典礼，中国学生获博士学位的有三人，硕士学位的六人，学士学位三人，这是哥伦比亚大学历史上从来没有过的。从1917、1918年所汇编的《游美同学录》来看，90%以上的留美生获学士学位，很多人获硕士学位和工程师资格，有35人获博士学位。这之后，还有更多的留美生获得博士、硕士及其他学位。这些学生回国后都成为建设方面的中坚力量。胡适、廖世承等庚款留美生回国后，竭力鼓吹实施新教育，建立新学制。国民政府于1922年11月公布的“六·三·三·四”的新学制，就是在他们的影响及积极的推动下，模仿美国的“六·三·三”制而来，这一学制体系影响很大，比较适合中国当时的教育实际，一直被沿用到1949年全国解放。24岁获博士学位的茅以升，回国后任天津北洋工学院院长。他主持修造了杭州钱塘江大桥，这座两层联合桥全长1453米。在修桥过程中，他进行了精心设计和组织，在波涛汹涌的江面，采用“注水法”，“沉箱法”、“浮运法”，克服了建桥打桩、建桥墩、架钢梁等复杂困难的工程，仅用两年半就完成了中国第一座公路铁路两用桥的修造。1955年，他又主持设计修建了武汉长江大桥，同时，他还积极开展科普创作，在中外报刊上发表了200多篇文章。在他的科普作品中向青少年们展示了一个绚丽多彩的未来世界。1963年他写的科学小品《桥话》在《人民日报》副刊上连载。有一次国庆节，在天安门城楼上，毛泽东亲切地对他说：你的《桥话》我看了，写得好啊！你不但是个科学家，还是个文学家呢！茅以升一生不仅在修建有形的桥梁，还在为青少年搭建无形的精神桥梁。
他的一生都贡献给了中国的桥梁事业。
据统计，从1909年到1920年，清华留美生归国的为507人，其职业分配如下表(见下页)：
在1955年3月公布的中国科学院学部委员中，这一时期的清华留美生就有诸如：周培源、梁思成、汤用彤、杨石先等29人。1936年时，清华大学“全校教师有210余人，其中有教授90人，几占全体教师的一半。他们绝大多数是留学美国的，2/3以上又是清华的留美生。”
当时的留美学生也非常关心祖国的命运，当苏杭甬路案发生时，留美中国学生会曾发表书面意见，对于江浙铁路公司借英国的债而出卖路权的行径极为愤慨，他们“建议政府，可按照国际公法，一味拒绝，万不容英人藉有此议，在中国干涉尺寸路权，或索取分文赔款”。辛亥革命成功，建立中华民国，美国各大学如普林斯顿、康乃尔、哈佛、麻省理工学院等校的中国学生都举行了集会以示庆祝。1915年2月，日本帝国主义向中国无理提出“二十一条”的要求，消息传到美国，激起留学生们的无比愤怒。他们纷纷举行抗议集会，通电全国要求政府坚决抵制，其爱国之心可见一斑。在中国走向科学和民主的道路上，当年的留美学生作出了很大的贡献。