James, eleştirel yaklaşımını bu sayede kazandı. Babası çocuklarının meslek edinme ve hayatlarını kazanma zorunluluklarının olmadığı düşünüyordu. Yine de James’in ilgisinin bilime yönelmesi için çabaladı. 15 yaşındayken babası ona bir mikroskop hediye etti. James 18 yaşına geldiğinde ressam olma amacıyla Amerikalı ressam William M. Hunt’ın yanında resim dersleri almaya başladı. Fakat 6 ay sonra bundan vazgeçti.

1861 yılında Harvard Üniversitesi Lawrence Bilim Okulu’na girdi. Bu okulda kimya, anatomi ve benzeri konularda dersler aldı. Daha sonra nörotik bir hastalığa yakalandı. Kısa bir süre sonra kimyadan vazgeçti. Harvard Tıp Okulu’na kayıt oldu. Tıp öğrenimine bir yıl ara vererek ünlü doğa bilimci Louis Agassiz’in Amazon’a yapacağı bir keşif gezisine deniz hayvanları örnekleri toplamak amacıyla asistan olarak katıldı.

Gezi sırasında hastalanan James, bir yarıyıl için yeniden Tıp Okulu’na döndü. Bu dönemde Hermann von Helmholtz, Rudolf Virchow ve Claude Bernard gibi ünlü bilim insanlarının derslerini takip etti. Bunun yanında dönemin öne çıkan psikoloji ve felsefe eserlerini okudu. Charles Bernard Renouvier'yle tanışması James’in kişiliği ve düşünsel hayatının dönüm noktalarından biri oldu.

Haziran 1869’da Harvard Tıp Okulu’nu bitirdikten sonra, ruhsal bunalıma girdi. İntiharı bile düşünmesine yol açan bu bunalım sebebiyle hekimliğe hemen başlayamadı. 1872 yılına kadar babasının evinde çeşitli eserleri okumak ve ara sıra kitap tanıtma yazıları yazmak dışında hiçbir şey yapmaksızın yarı hasta durumda yaşadı. Daha sonra bu durumdan kurtuldu.