Từ năm 1954 đến năm 1956, Nguyễn Phú Trọng cùng 19 học sinh khác cùng xã Đông Hội học tại trường cấp 2 xã Mai Lâm (cách xã Đông Hội 5 km).[4]

Từ năm 1957 đến năm 1963, Nguyễn Phú Trọng học trường cấp II rồi cấp III Nguyễn Gia Thiều đóng tại huyện Gia Lâm nay là quận Long Biên Hà Nội.

Nguyễn Phú Trọng học giỏi môn văn.[4] Tính cách của ông trong thời gian này theo lời nhận xét của bạn bè ông là điềm đạm, cẩn thận, hiền lành.[4]

Năm 1963, ông học Khoa Văn, trường Đại học Tổng hợp Hà Nội (từ năm 1965 đến năm 1967, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội sơ tán lên huyện Đại Từ, tỉnh Bắc Thái - nay là Thái Nguyên). Ông tốt nghiệp bằng Cử nhân Văn chương.

Tháng 8 năm 1973, Nguyễn Phú Trọng được cử đi học lớp nghiên cứu sinh về kinh tế chính trị tại Trường Nguyễn Ái Quốc (nay là Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh).[5] Ông học tới tháng 4 năm 1976.[5]

Tháng 9 năm 1981, Nguyễn Phú Trọng được cử sang Liên Xô làm nghiên cứu sinh và bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ (nay tương đương tiến sĩ) Khoa học Lịch sử, (кандидат исторических наук) tại Viện Hàn lâm Khoa học xã hội thuộc Trung ương Đảng Cộng sản Liên Xô (Акаде́мия обще́ственных нау́к при ЦК КПСС) cho đến tháng 8 năm 1983.[5] Luận văn của ông viết về chủ đề Lịch sử Đảng và Xây dựng Đảng, có nhan đề là "Các hoạt động của Đảng Cộng sản Việt Nam nhằm tăng cường quan hệ với quần chúng trong giai đoạn hiện nay: dựa trên kinh nghiệm của Đảng Cộng sản Liên Xô"[6].

Năm 1992, Nguyễn Phú Trọng được phong học hàm Phó giáo sư và 10 năm sau (2002) ông được phong học hàm Giáo sư.