1919年，佩恩以优异的成绩获得了奖学金，来到剑桥大学纽纳姆学院继续深造。那时的她以为自己将来会成为一名植物学家，于是修读了植物学。一次偶然的机会，她听了诺贝尔物理学奖得主尼尔斯·玻尔的课，开始对物理产生兴趣。后来则因为另一个讲座彻底改变了自己的命运。

那一年，英国著名物理学家阿瑟·爱丁顿来到剑桥做演讲。演讲的内容是自己在非洲西海岸观测日食的故事。他用富有魅力的嗓音激情澎湃地分享了自己和团队如何花了几个月的时间进行日食科考，怎样克服恶劣的天气和突如其来的故障而最终拍摄到珍贵的照片的经历。他还讲述了他们经过几个月的测量、计算后取得了惊人的成果——证实了爱因斯坦的广义相对论的正确性。爱丁顿向在座的青年学子展示了那些珍贵的照片，引得台下一阵轰动。

在一双双充满求知的眼睛中，有一双属于19岁的佩恩。没人知道她在波澜不惊的外表下，内心深处正在经历一场深刻的地震。她后来回忆起那个时刻：“那完全改变了我对世界的看法。我的整个世界被颠覆了，有一种崩塌的感觉。”在那之后，佩恩的学习方向转向了天文学和物理学。

20世纪20年代，在剑桥学习物理，对于一个女性来说可谓前途渺茫。因为当时的英国社会几乎没有提供给女性科研者的机会。佩恩不顾世俗的偏见，依旧认真地完成每一门功课。她成绩优异，胜过班上大多数男同学，却不得不因为女性身份忍受各种不公正的待遇。

在古老的哥特式校园中，总是可以看见一个女孩独自坐在教室的角落里，因为她不被允许和男同学坐在一排。每当她走进教室，总能听见男生们带有嘲讽意味的“跺脚声”。那个时代的高等学府几乎是男性的天下，男人们试图营造一种具有男性气概的氛围，排斥女性参与其中，比如大声跺脚或者放肆谈笑。佩恩上每一堂课时，都不得不忍受这样令人难堪的“礼遇”，这些行为让佩恩感到格格不入，但她没有因此退缩，始终专注于自己的学业。

几年后，她以优异的成绩完成了学业，却遭受了更为严重的不公。她满心以为自己的努力终于得到回报，却被告知不可以被授予学位，因为剑桥大学700年来不曾给女性颁发学位，她最后能获得的只是一张普通的证书。为什么和男性付出同样的努力却得不到相同的回报？佩恩无数次这样问过自己。

她不甘心自己得不到学位，更不愿意在毕业后无法继续心爱的研究，一想到自己多年的努力会化为乌有，便满心愤慨。她从未停止为自己争取，一直在努力寻找机会，直到获得幸运之神的垂青。

当佩恩得知哈佛天文台有一个鼓励女学生从事天文研究的资助项目时，她毫不犹豫地报名了。那时的哈佛大学在天文领域独树一帜，已经有一个成熟的女性研究团队。她觉得自己如果能去哈佛，就可以在那里继续钟爱的研究。通过各种方式，她结识了时任哈佛天文台台长的沙普利，并成功引起了他的注意。在沙普利的鼓励下，她远渡重洋来到了哈佛。