Thomas Jefferson blev indskrevet på William & Mary den 25. marts 1760, da han var 16 år gammel. Han havde fået sin tidlige uddannelse af huslærere i hjemmet og senere som kostelev i skoler, der blev undervist af anglikanske gejstlige. Da han kom til Williamsburg, var den unge lærde dygtig i klassikerne og i stand til at læse græske og latinske forfattere i originalen, hvilket han fortsatte med hele sit liv.
Ud over filosofiskolen – det kollegiale kursus, som Jefferson indskrev sig på – omfattede William & Mary et gymnasium for drenge på omkring 12 til 15 år; divinitetsskolen, hvor unge mænd, der havde afsluttet deres studier i filosofiskolen, ville blive forberedt til ordination i Church of England; og Indian School, der blev grundlagt med henblik på uddannelse og kristning af indiske drenge.
Jefferson boede og var indkvarteret på William & Mary i den bygning, der i dag er kendt som Sir Christopher Wren-bygningen, og deltog i fælles måltider i den store sal og morgen- og aftenbønner i kapellet. Han blev undervist i naturfilosofi (fysik, metafysik og matematik) og moralfilosofi (retorik, logik og etik). Han var en ivrig og flittig studerende og udviste en ivrige nysgerrighed inden for alle områder, og ifølge familietraditionen studerede han ofte 15 timer om dagen. Hans nærmeste collegeven, John Page of Rosewell, rapporterede, at Jefferson “kunne rive sig væk fra sine kæreste venner for at flyve hen til sine studier.”
På William & Mary blev Jefferson undervist af William Small. Small, der var skotte og uddannet på Marischal College i Aberdeen, var blevet udnævnt til professor i naturfilosofi i 1758. Kort efter Jeffersons ankomst påtog Small sig også at undervise i moralfilosofi, da denne stol blev ledig efter Jacob Rowes afgang. Small introducerede Jefferson til Lockes, Bacons og Newtons skrifter og vakte en interesse for videnskab hos den entusiastiske unge studerende.
Det var en turbulent tid i W&M’s historie, en periode præget af politisk uro, faldende disciplin og spændinger mellem fakultetetet og bestyrelsen for visitatorer. Ikke desto mindre blomstrede Jefferson under Smalls vejledning. Han skrev senere: “Det var min store lykke, og det, der sandsynligvis fastlagde mit livs skæbne, at Dr. William Small fra Skotland dengang var professor i matematik, en mand, der var dybt inde i de fleste af videnskabens nyttige grene, med et heldigt talent for kommunikation, korrekte og gentlemanagtige manerer og et udvidet og liberalt sind.”
Jeffersons studieforløb på W&M varede to år, og han læste derefter jura i de næste fem år under George Wythe, den fremtrædende jurist, som skulle blive den første professor i jura på William & Mary i 1779. Jefferson omtalte Wythe som “min tidligste og bedste ven” og tilføjede, at “ham står jeg i gæld til for de første indtryk, som har haft den mest gavnlige indflydelse på mit livs forløb”. Gennem Wythe og Small mødte Jefferson guvernør Francis Fauquier, og han sluttede sig ofte til de tre ældre mænd, når de spiste sammen i guvernørpaladset. Jefferson – som sagde, at musikken var “min sjæls yndlings lidenskab” – blev også inviteret til at deltage i Palace musicales, hvor han spillede violin eller cello.
Dumas Malone, Jeffersons biograf fra det 20. århundrede, skrev, at historien om Jeffersons studietid i Williamsburg “er historien om … den første blomstring af et ekstraordinært sind”. Som studerende på William & Mary havde den unge Jefferson et ideelt udsigtspunkt, hvorfra han kunne observere og blive undervist af koloniens ledere, mens han forberedte sig på at indtage sin plads blandt dem.