Baltimore si laureò con grandi onorificenze al Swarthmore College nel 1960. Sviluppò il suo interesse per la biologia molecolare con George Streisinger, sotto la cui tutoria lavorò un'estate al Cold Spring Harbor Laboratory. Il futuro brillante di Baltimore fu evidente durante il suo lavoro da laureando: quando entrò nel programma di laurea in biologia del MIT nel 1960, con un brillante e vivace approccio allo studio scientifico. I suoi primi interessi nella genetica dei fagi si espanse velocemente in una passione per i virus animali. Partecipò al corso sulla virologia animale del Cold Spring Harbor nel 1961 e si trasferì nel laboratorio di Richard Franklin al Rockefeller Institute di New York City, che era uno dei pochi laboratori pionieri sulla ricerca molecolare della virologia animale. Lì, fece fondamentali scoperte sulla replicazione dei virus ed il loro effetto nel metabolismo della cellula, compresa la prima descrizione della RNA replicasi. Completando il proprio lavoro di tesi in 18 mesi, Baltimore tornò al MIT per del lavoro post-laurea con James Darnell nel 1963. Continuò il suo lavoro della replicazione virale usando poliovirus e studiò enzimologia con Jerard Hurwitz al Albert Einstein College of Medicine nel 1964/1965.