1913年，李四光和同行的其他3位同学坐轮船到达英国伦敦。李四光首先找到一位英国老太太补习了一年英语。第二年，他和好友丁西林考上了伯明翰大学预科，补习数、理、化。由于李四光在日本留学时，只重点学习物理、英语，因而数学基础比较差，所以他决心加强数学的学习。他的同学丁西林看李四光演算题比较困难，出于一片好心，把自己演算的结果给他参考，可是每次都被李四光婉言谢绝了。他坚持独立演算，直到得出正确结论才肯罢休。
1914年8月4日，爆发了第一次世界大战，战争对于留英学生是一次严峻的考验。以英、法、俄为一方的协约国和以德、奥、意为另一方的同盟国，为争夺殖民地，重新瓜分世界，展开了大战。此时，英国物价飞涨，日用品短缺，食物紧张。有的中国留学生克服不了这种困难，就申请回国而中断了学习。李四光从小过惯了贫穷生活，觉得这些艰难算不了什么，就坚持下来了。
李四光从预科转到采矿科，学习了一年的采矿。因为他的志趣还不在这里，便同好友丁西林商量专业问题，丁西林问道：
“你想继续学采矿？还是攻读造船？”
“不，我想改学地质，”李四光说。
“学地质？”丁西林惊讶地望着李四光，“中断了学过的专业，岂不可惜？”
“学地质也是为了造船。”李四光坚定地回答。
“咦！当我发现戏剧与物理没有抵触的时候，你却认为造船与地质有联系。这是怎么回事？”丁西林说道。
李四光认真地说：“要造船，就得有钢铁；要钢铁，就得靠采矿。我已经学了一年采矿，但我现在认为，光会采矿是不行的。中国虽然地大物博，但是科学落后。如果我们自己不能找矿，将来也不过是给洋人当矿工。”
改学地质，学完后立志回国从事地质工作，以便中国人自己能够开发祖国的宝藏，这是李四光的理论与奋斗目标。所以，当他改学地质以后，学习更加努力。除地质外，还兼学物理系的课程。例如力学、光学、声学、电磁学，而且特别侧重力学的学习，这样就为他创立地质力学奠定了良好的基础。由于他是中途跟物理系学习，学起来很吃力，但他却埋头做作业，复习功课，每天晚上直到深夜。
李四光进入地质系后，由一位地质教授包尔敦老师指导学习，这位教授对中国学生非常热心，李四光很尊重他，并从这位导师那里获得了不少的教益。地质系老师威尔士和李四光来往很密切，李四光常到威尔士老师家做客，有时候还即兴演奏一首小提琴曲，也很得威尔士一家的欣赏。
对于学习，李四光不仅踏实刻苦，而且学得灵活，在实践中学，在实践中用。有一天，他从旧货摊上买来一辆坏的摩托车，自己动手修理。别人感到奇怪，可李四光却认为：“学地质不能光读书本。英国是近代地质和古生物学的发源地之一。这里曾经产生过像郝屯、史密斯和莱伊尔等举世闻名的地质科学家。我应该多去参观他们的地质标本展览。这里的地质现象，特别是煤矿蕴藏很丰富，我也想在假日到野外去考察考察。有了这个摩托车，行动方便些。”
假期里，李四光带着简单的行李，骑着摩托车，到郊外煤矿去当“矿工”。他寄住在一位英国矿工的家里，和这位矿工的一家人交上了朋友，后来一直保持着联系。
1917年，李四光在煤矿当了一段“矿工”，又回到学校。正要进行学士学位考试的时候，他的腿上长了一个大脓疮，红肿疼痛，折磨得睡不好，吃不好。为了节约时间和医药费，他把刮胡须的刀片放在开水里消了毒，咬紧牙关，把脓疮和周围的烂肉挖掉了。从此，他的腿上一直留下了一个大疤痕。“手术”后，他忍着疼痛，就去参加考试，结果获得了学士学位。
1919年，李四光考取了地质学硕士学位，以优秀的成绩结束了在英国的学习。他的导师包尔敦教授，劝他留在英国再深造几年，等获得博士学位后再回国。那时，中国刚发生伟大的“五四运动”，国内的革命热潮吸引着他，他决定立刻离开英国，先到法国和德国的一些矿井去进行考察，再去阿尔卑斯山看看地质情况，考察那里的现代冰川和古代冰川遗迹，然后回国。
1919年秋末，他在德国即将回国的时候，收到伯明翰大学的老师包尔敦来电，电文说一位印度朋友聘请他去印度的一个矿山当工程师，待遇从优。他知道去印度、薪水高，待遇好，可以帮助年迈的父母提高生活水平，可以帮助上学的弟弟和妹妹交书费和学费。但同时又收到北京大学校长蔡元培先生的一封信，特聘他去北京大学担任地质系教授。
是去印度，领取高薪，还是回祖国，到北京大学教书？何去何从，在李四光脑海里似乎不需要再思索了。他一贯认为：我是中国人，应该为自己的祖国服务。于是，他放下从印度拍来的电报，兴奋地举起从祖国蔡元培先生处发来的这封信，大声宣布：“回国去！”
李四光接受了北京大学蔡元培的聘请，回祖国北京大学当教授。他决定立即启程回国。在回国途中，他为了了解十月革命后苏联的情况，取道彼得堡、莫斯科，坐火车经过西伯利亚，于1919年底回到了祖国。
