第二階段主要任務是做研究，在導師的指導下確立課題，進行特定領域的前沿研究，在行業內有較高影響力的雜誌上發表學術論文，在各種學術會議上匯報自己的研究成果，這些都是醫生必須學習的基本操作技能。最後博士論文答辯，不及格的在最後壹輪被淘汰。
美國的博士學位在世界範圍內都很難獲得，因為美國對博士學位的要求很嚴格。統計顯示，麻省理工、加州理工等著名理工科院校的博士平均畢業年限往往長達6至10年，淘汰率在20%-30%之間。還有很多同學中途轉學或者放棄。