У 1909 році під керівництвом професора Володимира Вороніна захистив у Імператорській військово-медичній академії (Петербург) докторську дисертацію «До питання про мікроскопічну будову і фізіологічне значення надниркових залоз у здоровому і хворому організмі». Одним з опонентів на захисті був відомий російський фізіолог академік І. П. Павлов, який дав високу оцінку роботі молодого ученого. Олександр Олександрович Богомолець став наймолодшим у Російській імперії доктором медицини — на момент захисту йому було 28 років.