A partire dal settembre 1947 fu ammesso alla facoltà di Medicina della Northwestern University e dopo l'anno di matricola, nel 1948, sapendo di non poter più dipendere economicamente dal padre, trovò un lavoro provvisorio al Chicago Tribune come correttore di bozze; più tardi, ebbe un'altra fonte di guadagno lavorando in un ambulatorio chirurgico nel ghetto di Chicago, dove il 10% degli studenti di Medicina si mantenevano curando i lavoratori che si infortunavano o che erano rimasti invalidi per cause di servizio. Alla Northwestern rimase cinque anni invece dei soliti quattro, perché lavorò come ricercatore con il Dott. Horace Winchell Magoun, un professore di neuroanatomia: in questo periodo Starzl sviluppò una tecnica di registrazione per rilevare le risposte del cervello agli stimoli sensoriali. Nel 1950 Magoun lasciò la Northwestern University per un nuovo incarico all'Università di Los Angeles, dove fondò il dipartimento di Anatomia; Starzl lo raggiunse nel 1951 per completare il suo dottorato di ricerca in neurofisiologia. Nutrendo la segreta speranza di diventare medico, decise poi di dedicarsi alla medicina clinica, ma Magoun prese accordi affinché andasse al Karolinska Institute di Stoccolma per un internato con il neurofisiologo Ragnar Granit, che più tardi avrebbe vinto il premio Nobel. All'inizio del giugno del 1952 Starzl si laureò ricevendo i tre attestati di dottorato di ricerca, laurea e abilitazione all'esercizio della professione medica.