1932年裡，黃汲清受中華教育文化基金會的選派，赴瑞士留學先人伯爾尼大學，後轉入濃霞台大學專攻博士學位。他的導師是著名的大地構造學家之—。這位才華橫溢的中國靑年科學家此時才得以在歐洲大地熔煉深造。 1935年，他的那篇用法文寫的對阿爾卑斯地區地質研究的博士論文，在四十多年後國際地科主席只.如過叫教授訪華時仍稱其至今依然有重要價值。
或許是當年在北洋大學那份從政之心尚未涙滅，或許是在從事地質科學工作十年後，黃汲清更理智地從科學的高度認識到了一個國家的興衰與能源工業革命之間的密切關係。 1935年秋，他以東方人特有的聰明才智獲得理學博士後，毅然把自己的科研目標撥向了石油地質領域。為此，黃汲清不惜冒貧困潦倒流落異鄉之瞼，帶著在瑞士省吃儉用留下的幾個錢，遠涉重洋，抵達美利堅合眾國，進行了為期三個月的石油工業與石油地質考察。這是中國科學界第一個也是惟一個由自己掏錢選擇當時已在西方工業資本主義國家蓬勃崛起的以石油為主導的工業革命浪潮為研究對象的東方科學家。
美國先進的石油地質科學技術，使黃汲清大開眼界，他像海綿似地汲取著這裡的石油地質知識。值得一提的是，由於美國地質學界老前輩舒各特教授的推薦與介紹，黃汲清得以在海灣石油公司、聯邦地質調查所和俄克拉荷馬城油田等一大批知名石油公司、油田及石油研究機構作全面、詳盡的考察、取經與交流。這段經歷，使黃汲清領略到了西方石油業的先進水平，同時也深深感到科學無國界在美國這樣的先進國度裡的真實體現。幾十年後，每每談及此事，大師總對舒各特等美國科學家的無私與坦誠深表敬意。
1936年1月，當黃汲清回到祖國，他供職的那個地質調査所，已在日本侵略軍的槍砲聲中，從北京搬到了南京珠江路942號，並改稱中央地質調査所，所長仍由翁文灝兼任。而黃汲清的另一位恩師、中國地學界第一代開元宗師丁文江大師卻在査勘湘潭煤礦途中，不幸煤氣中毒，猝然長逝，年僅49歲。
丁文江之死，使中國科學界和政界痛失一顆光芒耀眼的星星。當時的地學界領袖人物翁文灝在痛不欲生之餘，更擔憂自己與丁文江一手創辦起來的地質調査所及中國地質業的前程。在這之前，翁雖名義上仍掛地質調査所所長之職，實際已基本不管事，翁此時已升任為蔣介石的行政院秘書長，所以平時地質調查所的事都由總地質師丁文江負責。丁文江死於1月5日，死前他對地質調査所誰來接任問題曾對好友翁文灝和胡適有交待，丁推薦黃汲清，翁對此也十分贊成。因此黃汲清一回國，已是中央政府高官的翁文願便找他談話。
“德淦，丁先生突然去了，我在政府裡又騰不出身。地質調査所的擔子就交給你了！”
年僅32歲的黃汲清一聽，忙驚恐地連聲推辭：“不可不可，所裡有謝家榮、王恒升等一批大才大智者，德淦我年輕才淺，實不敢擔此重任。先生還是請別人吧！”
翁文灝語調深重地說：“如今日本人已經侵占我東三省和華北地區，中華民族處於危急之中，但要重振我山河，離不開礦業發展，而在這個當口，丁先生走了，你我自當勇挑重任。再說，這不僅是我的意見，也是丁先生生前的遺願。他流著淚拿出丁文江給胡適與他的信件。”
黃汲清聽到此處，早已泣不成聲。
“我……我一定竭盡全力，將先生的未竟事業進行到底！”黃汲清如此發誓。
黃汲清斷然沒有想到，他的這一誓言，三十年後的一場革命風暴差點把他打入地獄。道理很簡單：造反派認為，這是黃汲清效忠國民黨政府的鐵證。而地質調査所實際上就是國民黨蔣介石的情報部門。黃被看中當這個情報部門的頭目，不言而喻，肯定對中國人民犯下了滔天罪行。如此三歲小孩也會明白的推斷，不打倒你黃汲清還打倒誰嘛！你黃汲清還有什麼資格沾發現大慶油田的光？這是後話。
輪到黃汲清出任總地質師和所長時的1937年，翁文灝辭去所長之職，黃正式任所長，此時中央地質調查所已完成北京周口店猿人和焦作、山西大同等一大批礦山資源與考古的重大發現，成為躋身於國際科學界的知名地學研究機構。當時根據日寇侵華、我國民族工業遭受毀滅性打擊，外來援助被全面封鎖的情況，黃汲清把在本土上尋找礦產資源作為地質調査所的工作重點。
石油無疑是他夢寐以求的奮鬥目標。
他回國的第一件事就是檢査浙江長興縣的油苗發現。長興油苗是在1934年一個煤山礦井中發現的。當時有位叫陸貫一的工程師對此進行初略研究後，便在報紙上大吹特吹，說是中國發現了大油田。翁文灝聞訊後，高興得不得了，調來車輛前去考察，結果差點把命都送了——中途他的轎車撞在樹上，造成頭部重傷。驚樽好友丁文江忙不迭地在獨立評論上寫了篇悼念文章——我所知道的翁泳霓翁的字號為泳霓。長興是否真有油，黃汲清對此極為關心。翁文願與他談話過後沒幾日，他便約了盛莘夫、崔克信兩位地質學家專程前往。經過幾天調查研究，黃汲清他們得出的結論是，這是一個虛假的喜訊。因為像長興這樣的煤炭地層，不可能有大的或較多的石油儲藏。
長興石油雖然掃了國人的興，但黃汲清對西方人斷定的中國貧油之說則更加置疑。他認為中國的許多地質構造，特別是盆地構造，與美國的幾個油田十分接近。難道真是西方的月亮也比中國的圓嗎？黃汲清不信。