打工的时候，他一有空就抽出来看两眼。就这样，他用半年的时间，自学完成了中学物理课程，在1922年以第一名的成绩考进了河南留学预科班。

因为赵九章一直与进步同学有联系，后来又遭到了军阀追捕。不得已在1925年逃回浙江吴兴的老家，投靠姑妈继续学业，两年后悄悄加入共青团。后来，他还一度因此被捕入狱。

1929年，赵九章考进清华大学，在叶企孙的指导下选择了气象专业，成了著名气象学家竺可桢的学生。1935年，赵九章和蒋经国一道赴德国柏林大学攻读高空气象、动力气象和动力海洋学。

1938年，赵九章拿到了博士学位，当时正是国内全面抗战爆发的紧要关头。他回国后，先到舅舅戴季陶的身边担任机要秘书。后来在目睹国民党的黑暗与腐败后，他愤然辞职。又相继担任了西南联大教授、中央大学当教授，还担任过清华气象系主任。

他在德国发表的毕业论文，被竺可桢誉为建国以前，中国在气象方面最重要的成就。物理学家钱伟长则说，他是“真正把数学、物理学引入气象学的第一人”。

1944年，赵九章在担任中央研究院气象所主任时，工资还不够全家人吃饭。搬到重庆北碚的时候，他全部的家当，用一辆破马车一车就拉走了。

他的妻子穿着一条打了三十二个补丁的裤子，看得中央大学的校长吴有训直想哭。尽管如此艰难，赵九章却甘之如饴，并且从来没有少交过一次工会的会费。

当时中央研究院的气象研究所，是位于嘉陵江上的一个小岛。上面搭了十几间木板房，房外种了一点花花草草，有十几个工人。去的时间临近过年，赵九章特意买了红纸贴春联，在上面写着“淡泊明志，宁静致远”。