冯德培22岁时考取清华留美预备生时,因为文献阅读的基础,他想好要去芝加哥大学生理系师从理莱(Ralph Lillie)教授。冯德培到芝加哥大学一年后,决定不师理莱而转杰拉德(Ralph Gerard)。因为当时理莱用铁丝的氧化去氧化作神经传导的模型,而杰拉德研究神经的代谢。冯德培觉得铁丝模型不够味道:与其做神经的模型,不如研究真的神经。冯德培在芝加哥研习两年并获硕士学位后,在林可胜安排下,于1930年转到当时生理学的中心英国,到伦敦大学学院师从诺贝尔得主希尔(A. V. Hill)。在英国的三年里,冯德培发表了9篇论文,其中5篇是独立写成。他主要研究神经和肌肉的产热问题。希尔上这个领域的权威,并因此获奖。冯在希尔实验室的工作得到希尔的肯定。希尔称冯发现的肌肉拉长所出现的静息产热代谢变化为“冯效应”。1936年,一本杂志请希尔综述该领域工作时,希尔转请冯代写。而那时冯德培已经回中国三年、而且也不研究神经肌肉产热。
冯德培于1933年获得博士学位、年方26岁。他在英国期间除了师从希尔外,还短时跟随另外两位诺贝尔奖得主――剑桥大学的艾得里安(E. D. Adrian)和牛津大学的埃科斯(J. C. Eccles),各工作约两个月。他到牛津本来是要到诺贝尔奖得主谢灵顿(C. S. Sherrintong)的实验室工作,但谢因丧妻之故而让冯去和埃科斯。埃科斯当时还年轻,他获诺贝尔奖是以后的事。这样,冯德培在英国时,和不同年龄层的一流科学家开始了交流和友谊。
1934年夏天,冯先生回到北平协和医学院生理系。系主任林可胜给他一间没有窗户的地下室。在他自己这样的第一个实验室里,冯先生不再做师辈们的领域而开始自己探索新的领域和课题。神经肌接头是神经信息传到肌肉的关节点,神经肌接头的研究至今仍然是研究神经信号传递的重要范式。在30年代,有关领域还处于萌芽状态,冯先生很短时间就发现了神经肌接头电生理的新特性。从1936年到1941年,他领导的实验室,共发表了26篇论文,可以说是丰收。他们部分工作为当时正在形成中的化学传递学说提供了证据、有些实验直接补充或推广了英国药理学家戴尔(Henry H. Dale)的理论(戴尔后因化学传递获诺贝尔奖)。同一时期,冯德培也发现了钙离子对神经肌接头信号传递的重要作用,提出钙影响神经递质释放的见解,接近英国生理学家克茨(Bernard Katz)的结论,克茨后来因为一系列对神经肌接头递质释放的研究而获得诺贝尔奖。冯德培实验室在协和的另一重要发现是观察到强直后增强效应(PTP),这是突触可塑性的第一次发现,是神经系统可塑性的重要发现,到80年代后突触可塑性又成为热点。冯德培第一次发现突触可塑性的纪录,为哥仑比亚大学的肯德尔(Eric Kandel)大型系列书籍《生理学手册》所载。
冯先生和同事们在科学领域中不断取得成果时,被日本侵华战争所中断。1941年,“太平洋战争”爆发后,属于美国的协和医学院也不能继续平静。冯先生的老师林可胜几年前就开始投入抗日的医疗救护,而本来坚持让冯先生继续一段研究。到1941年,冯德培也离开北平先到内迁重庆的上海医学院人生理教授,抗战结束时任中央研究院医学研究所筹备处研究员兼代理主任,那是因为林可胜支持年轻人出任(同期,中央研究院数学研究所也有同样的故事:德高望重的姜立夫坚持推年轻的陈省身出任代理所长)。1946年,冯先生到美国购买仪器和书籍。在美一年,他在洛克菲勒研究所(现为大学)和络壬托Lorento de No教授共事。络氏很有己见、常与人争论。他和冯德培曾就结缔组织是否能作弥散屏障发生争论。冯先生不和他继续口头争论,40年代末到50年代初,冯在上海的实验室研究了这个问题,表明冯的观点是对的。冯在50年代还研究了钾离子对神经去极化的作用。