Rozpoczął studia chemiczne na politechnice w Wiedniu, a jednocześnie uczęszczał na wykłady Boltzmanna z termodynamiki i kinetycznej teorii gazów na Uniwersytecie Wiedeńskim. Wykłady te rozbudziły w nim zainteresowanie fizyką teoretyczną i określiły dziedzinę przyszłych badań Ehrenfesta. W roku 1901 przeniósł się na Uniwersytet w Getyndze, który był wówczas jednym z najsilniejszych ośrodków naukowych w dziedzinie matematyki i fizyki teoretycznej na świecie. Spotkał tam swą przyszłą żonę, Rosjankę Tatianę Afanasjewą. W czerwcu 1904 roku obronił doktorat na podstawie rozprawy z mechaniki klasycznej dotyczącej ruchu ciał sztywnych w płynach.
Uczony We wrześniu 1906 roku Ehrenfest wraz z małżonką wrócili do Getyngi. Na prośbę Felixa Kleina rozpoczęli pracę nad artykułem do Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften na temat mechaniki statystycznej. Artykuł ukazał się w druku dopiero w roku 1911 i prezentował najważniejsze osiągnięcia Boltzmanna i jego szkoły. Omawiał podstawowe założenia teorii, przedstawiał nierozwiązane problemy oraz ilustrował główne pojęcia za pomocą łatwo zrozumiałych przykładów.