All'età di diciotto anni, nell'autunno 1867, Osler cominciò a frequentare il Trinity College di Toronto (Attualmente parte costitutiva dell'Università di Toronto), con l'idea di seguire le orme del padre prendendo gli ordini sacri. Ad ogni modo, dopo un anno di studi (in cui aveva continuato a frequentare il dott. Bovell e a svolgere con lui ricerche di tipo naturalistico), comprese che la sua vocazione era un'altra e, abbandonando la sua intenzione originaria, si iscrisse alla Toronto School of Medicine. Questa era un'istituzione privata da non confondere con la Facoltà Statale di Medicina dell'Università di Toronto, che non era ancora pronta all'insegnamento. Siamo al punto di svolta decisivo della sua vita. Dopo due anni trascorsi alla Toronto School of Medicine, in cui aveva dimostrato un'eccezionale acutezza nell'osservazione e svolto una buona pratica nello studio di Bovell e nella stanza delle dissezioni, Osler nel 1870 si trasferì alla McGill University a Montréal proprio su suggerimento del suo amico, che invece si trasferì nelle Indie Occidentali Britanniche. Presto entrò nelle grazie del professore di medicina, il prof. Palmer Robert Howard, che divenne per lui un vero amico e mentore. In questo periodo fu molto importante per lui la pratica in uso presso la McGill University di offrire ai propri studenti la possibilità di acquisire una vasta esperienza medica attraverso un prolungato soggiorno in corsia. Terminato l'apprendistato a Montréal, nel luglio 1872 Osler si trasferì per un paio d'anni in Europa, frequentando università straniere e in particolare lavorando come ricercatore in fisiologia ad Oxford presso il laboratorio di Burdon-Sanderson, uno dei più all'avanguardia d'Europa nella ricerca. In questo periodo divenne membro della Royal Microscopical Society; nello stesso tempo il lavoro di ricerca diede i suoi frutti, portandolo a scoprire le piastrine presenti nel sangue. Soggiornò brevemente anche a Berlino, dove ebbe modo di apprezzare le riforme sanitarie attuate in quell'epoca da Rudolf Virchow.