Contrariando a tendência predominante em seu meio, segundo a qual os rapazes procuravam as faculdades de direito, medicina e engenharia, Fernando Henrique ingressou em 1949 na Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras da Universidade de São Paulo (USP). Aluno de professores franceses e da primeira geração de sociólogos brasileiros, na qual se destacava Florestan Fernandes, pouco antes de se licenciar em ciências sociais passou, em agosto de 1952, a lecionar história econômica geral e do Brasil na Faculdade de Economia da USP. No ano seguinte, casou-se com Rute Vilaça Correia Leite, especializou-se em sociologia na mesma faculdade em que se graduou e tornou-se auxiliar do professor francês Roger Bastide, ainda na USP.
Durante a campanha pela nacionalização da exploração do petróleo no país, que ficaria conhecida pelo lema “O petróleo é nosso” e resultaria na criação da Petrobras em 1953, acompanhou seu pai na organização de grupos de apoio, exercendo a função de tesoureiro de um deles. Em 1954, ano em que seu pai obteve o mandato de deputado federal por São Paulo na legenda do PTB, elegeu-se representante dos ex-alunos, tornando-se o mais jovem membro do Conselho Universitário da USP, condição na qual teria importante participação na reforma da instituição. Em janeiro de 1955, tornou-se assistente de Florestan Fernandes, que assumiu a cátedra de sociologia da USP após o retorno do professor Roger Bastide à França.
Simpatizante do Partido Comunista Brasileiro (PCB), sem entretanto nunca se ter filiado a ele, Fernando Henrique colaborou com a imprensa partidária em meados da década de 1950, auxiliando na edição da revistaFundamentos. Com a invasão da Hungria pela União Soviética em 1956, acompanhou a tendência internacional de repúdio ao ato e afastou-se definitivamente do campo comunista. Em 1958, porém, aderiu a um grupo de estudos de O capital, de Karl Marx, obra fundamental da doutrina comunista. Criado por iniciativa de José Artur Giannotti, professor de filosofia, o círculo era composto apenas de pessoas amigas, entre elas Rute Cardoso, já professora de antropologia, e teve repercussões importantes na USP pela introdução do marxismo em vários domínios intelectuais.
Tendo obtido o título de doutor em ciências sociais em 1961 pela Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras da USP, no ano seguinte passou a integrar a direção do Centro de Sociologia Industrial e do Trabalho (Cesit), fundado na USP por Florestan Fernandes e Alain Touraine, sociólogo francês. Ainda em 1962, tornou-se presidente do conselho editorial da coleção Corpo e Alma do Brasil, criada pela editora Difusão Européia do Livro (Difel), que nesse mesmo ano publicou sua tese de doutorado, Capitalismo e escravidão no Brasil meridional: o negro na sociedade escravocrata do Rio Grande do Sul, e nos anos seguintes editaria outros trabalhos seus.
A convite de Touraine, em 1962-1963 fez um curso de pós-graduação no Laboratoire de Sociologie Industrielle da Universidade de Paris. Na capital francesa, iniciou a redação de sua tese de livre-docência, defendida em 1963 na Faculdade de Filosofia da USP e editada em 1964 pela Difel com o título Empresário industrial e desenvolvimento econômico no Brasil.
Com a deposição do presidente João Goulart (1961-1964) e a ascensão dos militares ao poder em consequência do movimento de 31 de março de 1964, Fernando Henrique esteve entre os professores e intelectuais perseguidos pela polícia política, tendo sido, inclusive, objeto de uma ordem de prisão. Durante muitos anos se desconheceu as acusações de que fora alvo. Apenas em 1996, quando começaram a ser organizados os arquivos do general Peri Bevilacqua — depositados no Museu Casa de Benjamin Constant, no Rio de Janeiro —, soube-se que era acusado de comunista por suas aulas, seus livros e sua participação na campanha em defesa do monopólio estatal do petróleo.
Depois de alguns dias escondido na casa de amigos, ainda em abril de 1964 Fernando Henrique viajou para a Argentina. Lá foi convidado a trabalhar na Comissão Econômica para a América Latina (CEPAL), órgão da Organização das Nações Unidas (ONU) sediado no Chile. Em 1º de maio chegou a Santiago do Chile, onde já se encontravam numerosos brasileiros, entre eles Francisco Weffort, seu amigo e ex-aluno. Lecionou, então, no Instituto Latinoamericano de Planificación Económica y Social (ILPES), de cuja divisão social se tornaria diretor-adjunto, na Facultad Latinoamericana de Ciencias Sociales (Flacso), em Santiago, e nas faculdades de Sociologia e de Ciências Econômicas do Chile. Trabalhando na CEPAL, onde se destacava o economista brasileiro Celso Furtado, ministro do Planejamento no governo deposto de Goulart, participou do debate sobre os impasses das economias latino-americanas e elaborou, com o sociólogo chileno Enzo Faletto, a “teoria da dependência”, exposta em Dependência e desenvolvimento na América Latina, livro que, ao ser lançado em 1969 em espanhol e no ano seguinte em português, o projetaria internacionalmente como um dos mais importantes cientistas sociais do continente. Ao longo da década de 1970, a obra seria publicada também em italiano, inglês, francês e alemão.
No livro, os autores defendiam a tese de que o desenvolvimento dependente-associado seria o desenvolvimento capitalista possível nos países atrasados da América Latina. Segundo eles, a dicotomia entre “industrialização e nação” ou “subdesenvolvimento e dependência” fora superada, uma vez que a industrialização já ocorria em diversos países dependentes, não estando vinculada necessariamente à emancipação e à autonomia nacional. Em sua visão, os investimentos estrangeiros não eram obstáculo ao desenvolvimento, mas antes, sua alavanca. Essa teoria provocou reações e críticas entre os intelectuais de esquerda, que viam na dependência o mal do Brasil, enquanto Cardoso e Faletto colocavam a dependência na base do desenvolvimento capitalista.