Thomas Jefferson kirjoittautui William & Maryn kouluun 25. maaliskuuta 1760, 16-vuotiaana. Hän oli saanut varhaiskasvatuksensa kotiopettajilta ja myöhemmin sisäoppilaana anglikaanisten pappien opettamissa kouluissa. Williamsburgiin tullessaan nuori oppinut hallitsi jo klassiset kirjat ja pystyi lukemaan kreikkalaisia ja latinankielisiä kirjailijoita alkuperäisinä, ja hän jatkoi tätä käytäntöä koko elämänsä ajan.
Filosofisen koulun – kollegiaalisen kurssin, johon Jefferson kirjoittautui – lisäksi William & Maryyn kuului kielikoulu noin 12-15-vuotiaille pojille, jumaluusoppilaitos, jossa filosofisessa koulussa opintonsa suorittaneita nuoria miehiä valmisteltaisiin pappisvihkimystä varten Englannin kirkossa, sekä intialaiskoulu, joka oli perustettu intialaispoikien kouluttamista ja kristillistämistä varten.
Jefferson asui ja majoittui William & Maryn luona nykyisin Sir Christopher Wrenin rakennuksena tunnetussa rakennuksessa ja osallistui yhteisiin aterioihin Great Hallissa sekä aamu- ja iltarukouksiin kappelissa. Hän sai opetusta luonnonfilosofiassa (fysiikka, metafysiikka ja matematiikka) ja moraalifilosofiassa (retoriikka, logiikka ja etiikka). Hän oli innokas ja ahkera oppilas, joka osoitti innokasta uteliaisuutta kaikkia aloja kohtaan, ja perheperinteen mukaan hän opiskeli usein 15 tuntia päivässä. Hänen läheisin opiskelukaverinsa, John Page of Rosewell, kertoi, että Jefferson ”pystyi repimään itsensä irti rakkaimmista ystävistään lentääkseen opintojensa pariin.”
William & Maryn yliopistossa Jeffersonia opetti William Small. Skotlantilainen, joka oli opiskellut Aberdeenin Marischal Collegessa, Small oli nimitetty luonnonfilosofian professoriksi vuonna 1758. Pian Jeffersonin tulon jälkeen Small otti hoitaakseen myös moraalifilosofian opetustehtävät, kun kyseinen professuuri vapautui Jacob Rowen lähdettyä. Small tutustutti Jeffersonin Locken, Baconin ja Newtonin kirjoituksiin ja herätti innokkaassa nuoressa opiskelijassa kiinnostuksen luonnontieteisiin.
Se oli myrskyisää aikaa W&M:n historiassa, aikaa, jolle oli ominaista poliittinen myllerrys, kurinalaisuuden heikkeneminen sekä jännitteet tiedekunnan ja vierailijakunnan välillä. Siitä huolimatta Jefferson kukoisti Smallin suojeluksessa. Myöhemmin hän kirjoitti: ”Oli suuri onneni ja luultavasti elämäni kohtaloa määrittänyt se, että skotlantilainen tohtori William Small oli tuolloin matematiikan professori, mies, joka oli perehtynyt useimpiin hyödyllisiin tieteenaloihin, jolla oli iloinen kommunikointikyky, korrektit ja herrasmiesmäiset käytöstavat sekä laajentunut ja vapaamielinen mieli.”
Jeffersonin opinnot W&M:ssä kestivät kaksi vuotta, ja sen jälkeen hän jatkoi oikeustieteen lukemista seuraavat viisi vuotta George Wythen johdolla, arvostetun juristin, josta tuli William & Maryn ensimmäinen oikeustieteen professori vuonna 1779. Jefferson kutsui Wytheä ”varhaisimmaksi ja parhaaksi ystäväkseni” ja lisäsi, että ”olen hänelle velkaa ensivaikutelmat, jotka ovat vaikuttaneet hyödyllisimmin elämäni kulkuun”. Wythen ja Smallin kautta Jefferson tapasi kuvernööri Francis Fauquierin, ja hän liittyi usein kolmen vanhemman miehen seuraan, kun he söivät yhdessä kuvernöörin palatsissa. Jefferson – joka sanoi, että musiikki oli ”sieluni rakkain intohimo” – kutsuttiin myös osallistumaan palatsin musikaaleihin soittamalla viulua tai selloa.
Dumas Malone, Jeffersonin 1900-luvun elämäkerturi, kirjoitti, että tarina Jeffersonin opiskeluajoista Williamsburgissa ”on tarina… poikkeuksellisen mielen ensimmäisestä kukoistuksesta”. William & Maryn opiskelijana nuorella Jeffersonilla oli ihanteellinen näköalapaikka, josta hän saattoi tarkkailla siirtokunnan johtajia ja saada heiltä opetusta, kun hän valmistautui ottamaan paikkansa heidän joukossaan.