Giáo sư Phạm Biểu Tâm học tiểu học tại Huế, và sau đó qua trung học phổ thông tại Vinh. Đến lúc trung học chuyên khoa (Tú tài), ông theo học tại Trường Quốc học Huế và Trường Bưởi (Hà Nội).

Năm 1932 ông bắt đầu theo học Trường thuốc tại Hà Nội. Khi đã tốt nghiệp, ông tiếp tục làm nội trú bệnh viện trong nhiều năm để học hỏi thêm kinh nghiệm. Năm 1947 ông đệ trình luận án tiến sĩ y khoa với đề tài là "Introduction de la Médecine occidentale en Extrême-Orient" (Sự du nhập của y khoa Tây phương vào các nước miền Viễn đông).

Tập tin:Doan LamSon huongdaosinh 1939.jpgToán Chim Sẻ thuộc Tráng đoàn Lam Sơn Hà Nội sau lễ tuyên lời hứa ở làng Thổ Hà, Việt Yên, Bắc Giang, năm 1939. Hàng ngồi trước từ trái sang phải: Tôn Thất Tùng, Hoàng Đạo Thọ, Phạm Biểu Tâm, Trần Duy Hưng (trưởng toán), Vũ Văn Cẩn, Nguyễn Sĩ Dinh.

Năm 1948 ông trúng tuyển kỳ thi thạc sĩ y khoa (professeurs agrégés des universités, để làm giáo sư) tại Paris, đồng thời với bác sĩ Trần Quang Đệ, một nhà phẫu thuật lừng danh khác của Việt Nam.