NOBELOVY LAUREÁTY APLENTY
Ochoa se začal zajímat o biologii. Ochoa v roce 1923 navštěvoval lékařskou fakultu madridské univerzity v naději, že bude pracovat s doktorem Cajalem, ten však v té době odešel do důchodu. Přestože na samotné lékařské fakultě nebylo žádné výzkumné pracoviště, Ochoa mohl rozšířit svůj akademický a vědecký potenciál. Protože Ochoa patřil k nejlepším studentům, jeho talentu si rychle všiml univerzitní profesor fyziologie Dr. Juan Negrín, který si pravidelně vybíral vynikající studenty jako své laboratorní asistenty. Ochoa dostal zpočátku poměrně rutinní úkol izolovat kreatinin z moči. Vyvinul také metodu měření svalového kreatininu. V létě 1927, kdy byl Ochoa ještě studentem čtvrtého ročníku medicíny, odcestoval do Glasgow ve Skotsku, kde spolupracoval s doktorem Noelem Patonem, aby zdokonalil stanovení kreatininu a svou znalost angličtiny. Během krátké doby mohl publikovat svou první vědeckou poznámku ve Sborníku Královské společnosti a po návratu do Madridu spolu se spolužákem José Valdecasasem předložil článek do prestižního časopisu Journal of Biological Chemistry. Vzhledem k jeho mládí a skutečnosti, že angličtina nebyla jeho rodným jazykem, to pro něj byl hrdý okamžik a na tento úspěch prý často vzpomínal.
Během studia medicíny bydlel Ochoa ve známé Residencia de Estudiantes v Madridu uprostřed mnoha začínajících uměleckých a vědeckých zázraků, včetně malíře Salvadora Dalího a básníka Federica Garcíi Lorky. V době, kdy zde Ochoa žil, zde často přednášeli nositelé Nobelovy ceny, například Marie Curie a Albert Einstein. Po získání lékařského titulu s vyznamenáním v roce 1929 se Ochoa ve svých 24 letech ucházel o stipendijní místo v laboratoři Otto Meyerhofa v německém Berlíně, která byla na špičce nového oboru biochemie. Zde se stýkal s mnoha slavnými biochemiky, jako byli Dr. Otto Warburg a Dr. Fritz Lipmann. Meyerhof, který se proslavil svou Embden-Meyerhofovou cestou v glykolýze, při níž se glukóza přeměňuje na kyselinu pyrohroznovou za vzniku adenosintrifosfátu (ATP), sám získal Nobelovu cenu o necelých deset let dříve. V témže roce Ochoa podnikl cestu do Bostonu na Mezinárodní fyziologický kongres a navštívil několik míst ve Spojených státech (USA), kde žil jeden z jeho bratrů. Po návratu do Španělska v roce 1930 pokračoval v práci na Residencia de Estudiantes, aby dokončil výzkum pro svou doktorskou práci.
V roce 1931 se Ochoa dvakrát zamiloval. Poprvé do ženy jménem Carmen García Covián, kterou si vzal za ženu. Druhá se týkala enzymologie, kterou objevil, když pracoval jako postdoktorand u doktora H. W. Dudleyho v laboratoři sira Henryho Dalea v Anglii, dalšího nositele Nobelovy ceny, za jeho výzkum acetylcholinu. Ochoa se odklonil od své dřívější práce o svalovém kreatininu a pustil se do světa enzymů a jejich role v intermediárním metabolismu. Byl to zlom v jeho kariéře a stal se jeho celoživotním zájmem. Poprvé se seznámil s enzymem zvaným glyoxaláza, jehož hlavní funkcí je detoxikace látek, jako je methylglyoxal a další aldehydy. Tyto sloučeniny jsou vedlejšími produkty normálních živých biochemických procesů, ale pro buňky jsou vysoce toxické. Pozoruhodný enzym, který Ochoa zaujal v roce 1931, se o několik desetiletí později stal cílem farmaceutických společností při výrobě antibiotik a léků proti rakovině. Pro Ochoa však byla glyoxaláza odrazovým můstkem k plodným biochemickým objevům, které brzy následovaly, zejména k jeho práci na nukleových kyselinách a RNA.