Successivamente studiò a Heidelberg, con il neuropatologo Franz Nissl. Tornato dal soggiorno in Germania, Cerletti frequentò il suo ultimo anno di corso presso l'Università di Roma, dove si laureò il 16 luglio 1901 presentando la tesi “"Sopra i processi di assorbimento consecutivi a lesioni della sostanza cerebrale"”. Assunto prima come assistente volontario e poi come assistente straordinario nella clinica diretta da Sciamanna, si adoperò per l'organizzazione di un laboratorio anatomopatologico. Nel 1905 ottenne la libera docenza in psichiatria e nel 1907 venne nominato assistente di ruolo.