Cahit Arf, 1928'de Türkiye'ye döndüğünde, devletin Avrupa'da yüksek öğrenim görecek öğrencileri seçmek için açtığı zorlu sınava girdi. Sınavdaki olağanüstü başarısı, ona az rastlanır bir ayrıcalık kazandırdı: Fransa'nın en seçkin iki yüksek okulunun — École Polytechnique ile École Normale Supérieure'ün — kapıları aynı anda ona açıldı. École Polytechnique, mezunlarına devlet kademelerinde ve mühendislikte parlak, prestijli ve maddi açıdan tatmin edici kariyerler vaat ediyordu. École Normale Supérieure ise farklıydı; orası, her şeyden önce öğretmen ve bilim insanı yetiştiren bir kurumdu. Cahit Arf, tereddütsüz École Normale Supérieure'ü seçti. Bu tercih, onun bütün hayat felsefesinin habercisiydi. Arf, daha gençliğinde, bilimi ve öğretmenliği maddi kazançtan üstün tutan bir idealist olduğunu ortaya koymuştu. Parlak bir mühendislik kariyeri yerine, sınıfta ders vermeyi ve matematiğin saf araştırmasını seçmişti. Bu seçim, ileride sık sık dile getireceği 'bilimi para için değil, bilim için yapmak' anlayışının ilk somut adımıydı. École Normale Supérieure'de geçirdiği yıllar, Arf'ın matematik formasyonunu olgunluğa ulaştırdı. Fransız matematik okulunun en yetkin hocalarının elinden geçti; cebir, analiz ve sayılar teorisinin derinliklerine indi. Burada matematiği yalnızca öğrenmedi, onu yaratıcı biçimde düşünmeyi öğrendi. 1932 yılında École Normale Supérieure'deki yüksek öğrenimini tamamlayarak yeniden Türkiye'ye döndü. Artık genç Cumhuriyet'in hizmetine girmeye, öğrendiklerini kendi ülkesinde paylaşmaya hazırdı.