张良学究天人，有神鬼不测的军谋政略。张学良既以张良为榜样，那么首先自然应该在读书学习上下些功夫。张学良很幸运，他有一个与一般土匪迥乎不同的开明父亲。
父亲张作霖虽然绿林出身，却算得上是个见识不凡的人物，并不以舞刀弄枪作土匪为满足，他常悔恨自己年轻时没上几年学，因此在长子张学良身上寄托了无限的希望，下决心把张学良培养成文武双全的接班人。
1907年，张学良刚满7岁，开始从师学习。父亲精心选聘了台安县举人崔骏声为张学良开蒙，随即又请来海城老儒杨景镇设立家塾，教授四书五经。杨景镇是张作霖少时的开蒙老师，张作霖为报答他当年的恩德，特意请他来为儿子学良启蒙，但实际上杨景镇的思想已趋老朽。
少年时的张学良聪敏过人，思想活跃。当时正值辛亥革命，不久袁世凯篡夺了大总统要职，杨景镇老师就此事叫张学良作文一篇，题为《民国之害甚于帝制》。这时的张学良已经具有新思想，拥护共和，反对帝制，所以他写了与老师的作文题目截然相反的内容，阐述民国是时代潮流的必然产物，复辟帝制是逆时代潮流而动。那时敢于反抗老师的教诲是大逆不道的事，老师看罢大怒，告到张作霖那里提出罢教。张作霖非常生气，要责罚张学良，被督署秘书袁金铠劝住了，他对张作霖说：“大帅，你不能只听老师一面之辞啊，还是先看看汉卿的作文写了什么再说吧。”张作霖觉得此话有理，便要袁金铠去看看张学良的作文。袁金铠看了后大加赞赏，向张作霖报告说张学良的作文符合时代潮流，根本没什么错误，而是杨景镇老师的头脑已经跟不上潮流了。张作霖这才知道错怪了张学良，他当然不会再惩罚学良，反而解聘了杨老师，另又请到辽阳名儒白永贞讲授古典文学。
白永贞是清代拔贡出身，当时担任国立沈阳高等师范学校国文教授，学品端方，素有文名，写得一笔好字，对学生循循善诱，从《三字经》、《百家姓》教起，再读《论语》、《孟子》直到《史记》，还学作文、填词和书法，张学良的国文水平在白永贞的教导下得到了突飞猛进的发展，“能作千言，下笔颇快”。他古文功底扎实，作诗填词得心应手；书法师黄庭坚，喜作篆书和钟鼎文。这一时期的儒家传统教育，使张学良的忠孝仁义思想根深蒂固，使他具有强烈的爱国主义思想和愚忠思想，这从后来他对蒋介石始终不渝的忠诚，反映得最为明显。
转眼间，张学良长大了，他交了个南满洲医科大学的学生作朋友，耳濡目染，他对医生职业心生敬慕，也希望能成为一个医生，悬壶济世。可是父亲一心想让他继承自己的军阀事业，并不同意他学医。张学良暗暗下定了决心，打算离家出走，逃往美国，进美国的大学学医。他买好了车船票，又与美国的朋友联系妥当，万事具备，张学良又有了犹豫，他把自己的想法告诉了朋友陈英，陈英先是责备他太不懂事了，“你父亲不是希望你成为军人吗？你这样做，你父亲肯定会难过的。”接着又给他出主意，“我教给你一个好办法，向你父亲撒个谎，就说到美国去读军校，你父亲肯定会赞成的。到了美国，你想干什么都没关系了。”听了朋友的话，张学良又考虑了好久，“父母在，不远游”的古训也束缚了他，父亲早已为他选择了军旅之路，最终张学良还是屈从了父命，放弃了自己认定的“救人”职业，走上了行伍生涯。
张学良先是和三个朋友一起报考保定军校，不料考期已过，学校专门为他们设了个考场，考时四人互相抄袭，但因没学过数学，都答不上来。考官拿出去找人代答，结果四人居然都考取了，还名列前茅。不过，张学良最后也没有去就学，他被父亲用“激将法”送进了讲武堂。
讲武堂原是清光绪年间赵尔巽任东三省总督时所设，训练陆军巡防和八旗武员，是东北唯一受新式陆军训练的军校。1919年，张作霖为增强军事势力，培植奉军军官，特拨巨款重办讲武堂，课程设置与日本陆军士官学校相差无几，张作霖自兼监督，他切盼张学良能获得军事学识，很希望学良第一期就入学。他怕张学良不去，又怕他吃不了苦，受不了军纪约束，于是用“激将法”对张学良说：“你甭去了，去了怕给我丢脸。”果然此计很灵，自尊心极强的张学良就是受不得激，他决心进讲武堂，并且下定决心一定要好好表现，让父亲刮目相看，于是，张学良就进了讲武堂第一期炮兵科学习。
从此天马行空惯了的张学良，举止行动乃至饮食起居都严格按照章法，张学良学习很勤奋，除了规定的战术、军制、兵器、地形、交通、筑城这六大军事课程外，每天还有作五十里路急行军练习，训练非常繁重。张学良的成绩很好，每次考试都是名列榜首，其他学生不服气，误以为是他沾了父亲的光，校方有意偏袒。学校知道后，有一次就采取突然袭击，教育长熙洽亲自监考，要学生全部调换位置，当堂出了四道题，结果只有张学良一个人全答对了，这次考试解除了学生们的误解。其实奉军的中、下级军官都是行伍出身，文化素质很差，有的甚至从未读过书，而张学良本就有良好的文化基础，再加上天资聪明，学习刻苦，学习成绩自然是鹤立鸡群了。
一年后，张学良以炮兵科第一名的成绩从讲武堂毕业，被授予陆军炮兵上尉衔，任奉天督军署卫队营营长，从此正式踏上了军旅之路。
晚年张学良曾自嘲地说：“我希望学医，成为救人的医生，结果倒成了杀人的军人。”
