Su vida estudiantil comenzó en Santa María de Ipire en la escuela de Luis Morillo, quien junto con Saturno González, le enseñan a leer y escribir.

En 1906 Don Tereso Torrealba, por asuntos laborales, decidió mudarse al hato "El Samán" cerca de Aribí, ubicado en el estado Anzoátegui, el cual era propiedad del señor Bonifacio Gómez Núñez. La vida de José Francisco Torrealba en esa localidad fue muy parecida a la de Zaraza: cabalgar, ordeñar, cuidar rebaños de ganado vacuno y caballar, hacer queso, buscar colmenas y cigarras, etc.

Durante su estadía en las tierras de Anzoátegui presenció el nacimiento de un niño, en situación de insalubridad. Fueron esos gritos de dolor de la madre pariendo los que lo impulsaron a tomar la decisión de querer estudiar Medicina, pero este deseo parecía inalcanzable, debido a la insuficiencia de recursos económicos que tenían sus padres.

Poco tiempo después don Tereso consideró bajas tanto las utilidades que estaba recibiendo como las condiciones de "El Samán". Por ello, la familia Torrealba se trasladó a Aribí, estado Anzoátegui, pero allí el sarampión y paludismo, los hizo reubicarse en San Diego de Cabrutica, localidad que pertenecía al Estado Guárico. Allí, culmina la primaria entre la Escuela del Bachiller Diego Antonio Ferrer y la Escuela Federal de su hermana Ana Isabel Torrealba en el año 1910. Al mismo tiempo que estudiaba en el colegio, vendía, de puerta en puerta, velas y jabones que la mamá fabricaba, recogía leña, transportaba agua de la quebrada y guardaba ganados ajenos.

Juan Salazar López de Santa María de Ipire, Ramón Aguilar de Zaraza y Diego Antonio Ferrer, un bachiller de Clarines, lo influencian profundamente, pues viéndolos a ellos sintió por primera vez la necesidad de leer que, posteriormente, se convertiría en una gran pasión. Por casualidad, cayó entre sus manos la Guía Médica de Chernowitz, cuyos temas estaban relacionados con microbios, parásitos, plantas, remedios, enfermedades, etc.

Para 1910 José Francisco Torrealba había leído 10 títulos. Entre éstos podemos nombrar: La Isla Misteriosa de Julio Verne , El Consejero de la juventud de Francisco González Guinand, La puerta del saber de Nicanor Bolet Peraza, Manual de urbanidad y buenas maneras de M. A. Carreño, entre otros.

Gracias a una beca que el Presidente del Estado Guárico, General David Gimón, otorgó a varios muchachos, el guariqueño logró cursar estudios secundarios.

Tereso Torrealba pretendía que José Francisco estudiara en Calabozo pero éste se negó y consiguió que lo regresaran a Zaraza. El Colegio "San Gabriel" fue el plantel donde cursó el bachillerato. Rápidamente, domina conocimientos para dar clases particulares de Psicología Experimental. El dinero que obtenía de estas lecciones lo destinaba, principalmente, a sus padres pero también una parte la empleaba en comprar libros.

El 21 de junio de 1912 en dicho Colegio recibió el segundo reconocimiento por su excelente rendimiento académico, pues hacía un año le habían entregado el primero. El segundo diploma fue otorgado por la junta examinadora, redactado por el médico eminente Vicente Peña y firmado por Eduardo Méndez, A. Camejo Farbós, A. Ron Padilla, V. Peña, Francisco Troconis, J. R. Camejo Farbós y L. Carrizales R. Torrealba destacó en su autobiografía: "Cuando lleno de orgullo, me dirigía al asiento que me habían destinado pude observar que muchos de los concurrentes tenían los ojos llenos de lágrimas. Era el primer triunfo del muchacho que cuidaba becerros en el hato 'El Samán' ".

Durante sus estudios de bachillerato leyó 54 textos de diversos temas. Historia Universal, Historia de Venezuela, Filosofía, Fisiología, Antropología, Geología, Geometría, Mineralogía, Zoología, Química, Geografía, Matemáticas, Religión y Gramática, fueron las disciplinas que llamaron su atención en ese período. Cuando Torrealba culminó los estudios de bachillerato en 1916 en su mente permanecía el anhelo de convertirse en Médico, pero nuevamente la situación económica amenazaba su sueño. Fue su amigo, el bachiller Salvador Itriago Chacín quien costeó sus estudios de Medicina en Caracas.

Torrealba llegó a la Capital en septiembre de 1917. La Universidad Central de Venezuela (UCV) estaba cerrada, por ello los estudios de Medicina los realiza en la Escuela de Medicina de Caracas dependiente de la UCV, ubicada en el Anfiteatro Anatómico, al este del Hospital Vargas. Allí, se desempeñó como un excelente estudiante de vocación notoria, lo que pronto le permitió realizar prácticas en el Hospital Vargas y convertirse en preparador de Química Médica, al lado del doctor Meier Flegel. Las clases teóricas las recibía en el Palacete de San Francisco, lugar donde Torrealba estudiaba y practicaba de forma perenne. En las noches, cuando no tenía prácticas se iba a la Plaza Bolívar a conversar con los paisanos residenciados en la Capital, pues la situación política que vivía el país, el General Gómez era el Presidente de la Nación, no permitía reuniones muy a menudo. A pesar de que su esmero en los estudios no le dejaba mucho tiempo para desempeñar un rol político, participaba cuando le era posible.

Tenacidad, inteligencia y sensibilidad social fueron las características que sus profesores universitarios le atribuyeron. Profesores destacados en Ciencias Médicas en Caracas, entre quienes podemos nombrar a José Gregorio Hernández, José Izquierdo, Francisco Antonio Rísquez, J. R. Rísquez (hijo), Luis Razetti, David Lobo, Leopoldo Aguerrevere, Beltrán Perdomo Hurtado, Domingo Luciani y otros.

Silvio Santiago García describe a José Francisco Torrealba como un hombre de mirada apacible, parco de voz, mesurado de gesto y pausado al caminar. Mientras que Augusto Morillo Chacón, quien lo conoció durante su etapa estudiantil en la Escuela de Medicina y con quien convivió como pensionado entre las esquinas de Fe a Remedios, cerca del Hospital Vargas y del Panteón Nacional, lo describe de regular estatura, magro de carne, barbilla negra y abandonado al vestirse; lo recuerda con liquilique y botas.

Los trabajos de Rangel fueron la guía en sus investigaciones de tripanosomas causantes de la llamada Derrengadera o Peste boba y anquilostomiasis. Por otro lado, Enrique Tejera y Guillermo Delgado Palacios fueron quienes infundieron las nociones, para ese momento ignoradas, de Higiene y Salud Pública en Torrealba.

Según Morillo Chacón, Torrealba era enemigo de cualquier vicio y ocio que disminuyera su valioso tiempo destinado, la mayoría de las veces, a sumergirse en sus libros. Además, considera que José Francisco Torrealba fue de las pocas personas que poseen en pleno las tres potencias del alma: voluntad, memoria e inteligencia.

Luis Razetti consideró a Torrealba junto con Felipe Guevara Rojas como los dos mejores estudiantes que habían pasado por la Universidad Central de Venezuela. Aunque Torrealba obtuvo calificaciones superiores a las alcanzadas por Guevara. "Cuando Torrealba se examinaba iba mejor preparado que el examinador", llegó a decir Razetti.

Durante sus estudios universitarios devoró 68 títulos, cuyos temas más frecuentes eran Astrología, Comedia y Psicología. Los autores de algunos de ellos fueron Freud, Flammarion y Breton; José Ingenieros con El Hombre Mediocre y Víctor Hugo con Los Miserables.

El título de doctor en Ciencias Médicas lo obtuvo el 27 de enero de 1923, aunque concluyó la carrera en 1922. Parece que no redactó tesis doctoral pero el diploma lo recibió con mención especial de Summa Cum Laude .

Muchos trabajos científicos que realizó durante sus estudios universitarios fueron comunicados a la Academia de Medicina y publicados en la Gaceta Médica. Los trabajos iban encabezados por un pensamiento de cualquiera de sus maestros o un agradecimiento a alguno de ellos, incluso publicó artículos en homenaje a quienes admiraba y leía.

Cuando alcanza el Título de doctor en Ciencias Médicas había leído casi 150 textos. De los cuales, los últimos diecisiete que leyó en el último año fueron: La Leyenda del Cid de José Zorrilla y del Moral, Las Ruinas de la Palmira del Conde del Volney, La Experiencia de los Pueblos de Antoine Coste, La Diana Enamorada de Gaspar Gil Polo, Diana de Jorge Montemayor, Vidas Paralelas de Plutarco, Canto a España de Andrés Eloy Blanco, entre otros textos de Polibio e Historia.