1934年杨兆龙与沙溯因结婚。经吴经熊向哈佛法学院院长庞德推荐，该院特意来南京、上海考察，在了解了杨兆龙在上海租界法院担任推事期间的业绩后，哈佛法学院破格录取杨兆龙。杨兆龙遂于婚后不久，在岳父沙颂宣的资助下，前往美国深造。

　　在哈佛，杨兆龙师从诉讼法学权威摩根。留学使得杨兆龙第一次可以直接地、近距离地观察美国司法。在留学期间，杨兆龙抓住机会，刻苦学习，大量地搜集资料，向国内同行介绍了美国司法的实际情况。1935年～1937年间发表的关于美国司法状况介绍的文章：《美国最近改革法院组织运动之略述》、《美国司法现状之一瞥》、《美国之司法制度》、《中国司法制度的现状及问题》、《论三审制之存废或改革》、《由检察制度在各国之发展史轮机我国检察制度之存废》、《关于疏通监狱之研究》、《欧美司法制度的新趋势及我国今后应有的觉悟》等文章，大都成形于在美国期间。 在这些文章中，杨兆龙都主要向国内同行介绍美国司法制度以下几点的内容：(1)美国的法院体系; (2)美国法院“统一法院组织”之运动，即美国法院体系向单一法院体系改革的新趋势; (3)法院内部的体系。比如：a)法官的选任资格和方法; b)法官的考核; c)法院的服帽制度; (4)法院组织的变革，比如a)变更法院权限; b)废除治安裁判所; c)设立小标的诉讼法院; d)设立未成年人法院。 (5)其他司法机关的情况。比如a)监狱长官及狱吏的任用资格; b)司法行政秩序的变更等等。 整体上来看，这些方面基本涵盖了美国司法制度的历史、现状及未来，应该说是比较全面的。

　　在哈佛法学院留学时，杨兆龙为即将开始的欧美司法考察做好准备，掌握了意大利语和西班牙语。中国驻英大使郑天锡1934年组织中国司法代表团出访欧美，杨兆龙随从赴美国各地和欧洲部分国家，就司法制度现状等进行了考察，并出席了相关学术会议。次年杨兆龙的博士论文《中国司法制度之现状及问题研究——与外国主要国家相关制度之比较》通过了答辩，杨兆龙因此获得了S?J?D法学博士学位。

　　拿到博士学位后，庞德建议杨兆龙赴大陆法系国家进一步研究，以便对英美法系和大陆法系都有更加精深的造诣。杨兆龙遂以研究员的身份赴德国柏林大学法学院，师从库洛什教授。在留学德国期间，杨兆龙曾赴法国、意大利游学，并在法国加入比较法学会。杨兆龙还计划赴苏联、波兰、捷克考察，并在德国期间，学习了俄语、波兰语和捷克语，做了初步的准备。后来因局势紧张而放弃此计划，于1936年秋天匆匆回国。