در سال ۱۳۲۱ وارد مدرسهٔ صدر شد و پس از تحصیل ادبیات عرب، منطق، کلام و سطوح فقه و اصول، در سال ۱۳۲۵ راهی قم شد و به مدرسهٔ حجتیه رفت. در قم خارج فقه و اصول را نزد سید محمد محقق داماد و آیت‌الله خمینی فراگرفت و در درس آیت‌الله بروجردی، سید محمد تقی خوانساری و حجت کوه کمری نیز حاضر می‌شد. بخشی از کفایه را نزد مرتضی حائری یزدی و بخش دیگر آن را به همراه مکاسب نزد داماد خواند. درس منظومه منطق و کلام که در اصفهان نیمه‌کاره مانده بود به دلیل کم بودن استاد فلسفه در قم ادامه نیافت و بیشتر به فقه و اصول می‌پرداخت. در کنار تحصیلش در قم، همانند اصفهان، تدریس نیز می‌کرد و مخارج زندگیش را از این راه تأمین می‌کرد.
در سال ۱۳۲۷ دیپلم ادبی را با شرکت در امتحان متفرقه اخذ کرد و به دانشکدهٔ علوم معقول و منقول (دانشکدهٔ الهیات و علوم اسلامی کنونی) دانشگاه تهران وارد شد. مدرک کارشناسی رشتهٔ معقول (فلسفه و حکمت اسلامی) را در سال ۱۳۳۰ از دانشگاه تهران دریافت کرد. عنوان پایان‌نامهٔ او «بساطت یا ترکب جسم» بود که آن را زیر نظر محمود شهابی با درجهٔ عالی به پایان رساند.
محمد بهشتی پس از گرفتن لیسانس تصمیم داشت برای مطالعهٔ فلسفهٔ غرب با بورس تحصیلی‌ای که در آن پذیرفته شده بود به خارج از کشور سفر کند. در آن زمان او در کلاس‌های فلسفه در بحث‌هایی که می‌شد اشکال می‌گرفت، با استاد جدل می‌کرد و استاد نیز به همان شیوه پاسخش را می‌داد و گاه حتی سوال و جواب‌ها به داد و فریاد کشیده می‌شد. به همین دلیل از فلسفهٔ اسلامی ناامید شده بود. در همان دوره محمدحسین طباطبایی از تبریز به قم می‌آید. بهشتی به این استاد جدید هم امیدی نداشت و فقط به خاطر اصرار دوستش مرتضی مطهری، در یک جلسه از کلاس‌های وی حاضر شد. بعد از کلاس اشکالی که به درس وی داشت به او گفت. طباطبایی با دقت به حرف او گوش کرد و با او با آرامش و بدون تعصب و تندی بحث کرد. این برخورد طباطبایی روی بهشتی تأثیر عمیقی گذاشت، به‌طوری که او از تحصیل در خارج از کشور منصرف شد و به قم بازگشت. در درس‌های اسفار ملاصدرا و شفای ابن سینا و نیز جلسات بحث کتاب اصول فلسفه و روش رئالیسم نزد طباطبایی حضور می‌یافت. در این دوره بخشی از وقتش را به تدریس درس زبان انگلیسی در دبیرستان‌های قم اختصاص می‌داد، از جملهٔ آن‌ها دبیرستان حکیم‌نظامی بود. در ۱۳۳۳ نیز دبیرستان دین و دانش را در قم تأسیس کرد.
در سال ۱۳۳۵ دورهٔ دکتری خود را در رشتهٔ فلسفه آغاز کرد. اما با توجه به فعالیت در قم و مبارزات و سفر به آلمان نتوانست به موقع دوره را به پایان برساند و سرانجام در سال ۱۳۵۳ از پایان‌نامه دکتری خود تحت عنوان «مسائل ما بعدالطبیعه در قرآن» دفاع کرد.
