Tahun 1903, Sutomo menempuh pendidikan kedokteran di STOVIA (School tot Opleiding van Inlandsche Artsen) di Batavia, yang sekarang menjadi Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia.
Di STOVIA inilah Sutomo bersama beberapa orang temannya mendirikan organisasi kepemudaan Budi Utomo yang bergerak di bidang pergerakan, atas gagasan dari dr. Wahidin Sudirohusodo.
Tahun 1911, Sutomo lulus dari STOVIA dan bekerja sebagai dokter pemerintah di wilayah Jawa dan Sumatra. Lalu pada 1919, dirinya memperoleh beasiswa untuk melanjutkan studinya di Universitas Amsterdam Belanda jurusan spesialis kedokteran.
Di Belanda, Sutomo juga aktif berorganisasi dengan bergabung di Indische Vereeniging, di mana ia ditunjuk sebagai ketua perkumpulan itu pada 1921-1922. Ia menyelesaikan studinya pada 1923 dan kembali ke Indonesia.
Sepulangnya ke Indonesia, Sutomo menjadi pengajar di Nederlandsch Artsen School dan mendirikan Kelompok Studi Indonesia di Surabaya pada 1924.