En 1920, Patterson regresó a Canadá y comenzó sus estudios en la Universidad McGill en Montreal.
Al principio, se concentró en las matemáticas, pero pronto empezó a interesarse por la física.
En los coloquios sobre física celebrados semanalmente en Berlín conoció a científicos como Max von Laue, Albert Einstein, Max Planck, Walther Nernst, Hans Bethe, Otto Hahn, Lise Meitner y Eugene Paul Wigner.
En el otoño de 1927, Patterson regresó a McGill y obtuvo su doctorado.
Entre 1936 y 1949, Patterson fue profesor asistente de física en el Bryn Mawr College (Pensilvania).