Khoảng thời gian này, một lần nữa ông lại phải lấy một trong hai chọn lưạ mâu thuẫn nhau. Là một người ham học, đáng lẽ ông có thể vừa ở nhiệm sở vừa ghi tên theo học toán tại Đại học Hà Nội, nhưng vì ôm mộng hải hồ nên trước khi đi nhận nhiệm sở sĩ quan công binh, ông đã nạp đơn dự thi vào trường Không Quân Pháp. Vào thời điểm đó, Không Quân Việt Nam chưa được thành lập. Một đại uý không quân được cử từ Pháp sang Saigon để phát bài thi cho thí sinh đồng thời ông ta cũng sẽ là giám khảo phần thi vấn đáp. Có chừng 20 người dự thi . Nhưng có lẽ bài thi viết cuả ông quá xuất sắc nên vị sĩ quan giám khảo thay vì khảo hạch ông trước bảng đen cuả lớp học thì lại mời ông ra đứng ở lan can phòng thi kể cho ông nghe viễn tượng đang chờ đợi ông ở quân trường không quân ở miền Nam nước Pháp . Nghe thấy vậy ông đã tin gần chắc là ông sẽ đỗ. Quả nhiên mấy ngày sau, trong số 5 thí sinh trúng tuyển, ông đã được chọn đỗ đầu, trong khi lúc chính thức vào phòng vấn đáp ông không phải nói một câu nào ngoài câu chào lúc bắt đầu và câu cám ơn lúc kết thúc .

Sau mấy tháng làm sĩ quan công binh tại Thái Bình ông nhận được giấy vào Saigon đi học trường không quân Ecole de l’Air cuả Pháp nằm ở tỉnh Salon de Provence. Trước đó điều kiện để được nhập học trường này rất khó, vì phải vừa là dân Tây vừa phải theo học một lớp toán học cao cấp sau tú tài 2. Cho nên trước đó mới chỉ có 2 người Việt quốc tịch Pháp được theo học, trong đó có trung tướng Nguyễn văn Hinh. Trước ông 2 năm cũng có một sĩ quan người Việt là ông Lê Trung Trực, sau này là chuẩn tướng không quân, được nhận như là một sinh viên ngoại quốc. Như vậy ông Nguyễn Xuân Vinh là một trong 5 khóa sinh Việt nam đầu tiên học trường này qua một kỳ thi tuyển lựa như thí sinh Pháp và cũng là một trong 3 người Việt nam đầu tiên được trúng tuyển theo học ngành phi hành với 2 người nữa theo học ngành kỹ thuật.

Sang Pháp , trước tiên ông được gửi tới trường phi hành (École de pilotage) ở Marrakech. Sau chín tháng được huấn luyện bay ông nhận được giấy tới Salon de Provence để nhập học Khoá sĩ quan không quân 1953. Tại thời điểm này, Nguyễn Xuân Vinh lại kết hợp 2 con người mâu thuẫn trong ông, một con người quân sự, vẫy vùng, ngang tàng, và con người sinh viên chăm chỉ nơi giảng đường đại học. Trước ngày khai trường, được nghỉ hai tháng hè, lợi dụng thời gian này ông tới Nice để học thi chứng chỉ Toán Vi Phân và Tích Phân mà ông đã ghi tên học từ đầu năm ở Đại Học Marseille. Ông đã từng viết lên tâm sự rằng, trong khoảng thời gian những năm cuối cùng sống trên đất Pháp, ông cố thu thập những lý thuyết quân sự, tổ chức hành chánh, kỹ thuật và hành quân trong Không Quân, và đồng thời cũng nhân dịp còn ở nước người, học thêm về toán học, về những môn chưa được giảng dậy tại quê nhà để sau này có dịp đưa kiến thức và sở học ra phục vụ quê hương một cách đắc lực hơn. Với suy nghĩ như vậy cho nên , sau đó, cùng với việc tốt nghiệp một trường sĩ quan phi công nổi tiếng cuả Pháp, ông cũng đã lấy được bằng cao học Toán tại đại học Marseille. Trong một lần tâm sự, tôi có hỏi ông rằng, trong thời gian học phi công quân sự tại Pháp, nhất là tại kinh thành Ánh Sáng, cuối tuần các sinh viên sĩ quan thường đưa đào đi chơi, uống rượu, nhẩy đầm, thì làm sao GS lấy được bằng cử nhân rồi cao học toán . Ông nhìn tôi bằng đôi mắt to và lúc nào trông cũng có vẻ hiền lành, thản nhiên cho biết: “cuối tuần, trong lúc các sinh viên sĩ quan khác đi chơi thì tôi đi học .” Thật không thể tưởng tượng được ! Ông đã kết hợp được trong ông, hai con người có hai thái cực khác nhau.

Sự thể là sau ba năm du học, vào năm 1955 từ Pháp trở về, ngoài bằng phi công quân sự, thiếu uý phi công NXV còn mang theo về nước một bằng kỹ sư hàng không và một bằng cử nhân cộng thêm cao học toán .

Khi mới về nước, đồn trú tại căn cứ không quân Nha Trang, nơi có biển đẹp và những người con gái có làn da ngăm ngăm, săn chắc, xinh đẹp, và quyến rũ, thay vì theo đuổi một bóng hồng nơi miền thuỳ dương cát trắng để có những buổi chiều mơ mộng sau giờ bay đưa người đẹp đi uống nước bên bãi biển như những chàng phi công khác, ngoài giờ công tác và đi bay, theo lời yêu cầu của bộ Quốc Gia Giáo Dục, và với giấy phép đặc biệt của bộ Quốc Phòng, chàng sĩ quan không quân trẻ Nguyễn Xuân Vinh, cũng để mỗi tuần vài giờ tới trường trung học Võ Tánh ở Nha Trang, để truyền đạt kiến thức toán học của ông cho thế hệ sau.

Chỉ ba năm sau, vào năm 1965, vị cựu tư lệnh Không Quân VNCH đã được ghi tên vào lịch sử của tiểu bang Colorado như là người đầu tiên được cấp bằng tiến sĩ (Ph.D) về ngành Aerospace Engineering Sciences tại trường Đại học Colorado. Ông được mời ở lại dậy học và xin được bộ Quốc Phòng Việt Nam cho từ dịch và được cấp thẻ thường trú của Hoa Kỳ để nhận chức giảng sư của Đại học Colorado . Năm 1968, Ông được mời tới dậy ở Đại học Michigan và năm 1972 ông được thăng chức giáo sư thực thụ (tenured full professor). Tới khi về hưu năm 1998, ông được phong chức “Giáo sư vĩnh viễn” (Professor emeritus) tại trường đại học này.

Cũng năm 1972 ông dành được thêm bằng tiến sĩ quốc gia toán học tại Đại học Paris . Giáo sư Nguyễn Xuân Vinh đã là thày dậy cho vào khoảng gần hai ngàn kỹ sư hàng không và không gian cho nhiều trường đại học ở Hoa Kỳ và nhiều nước trên thế giới. Học trò của ông nhiều người đã trở thành giáo sư đại học và nhà nghiên cứu xuất sắc. Ông đã xuất bản 3 cuốn sách và gần 100 bài khảo luận về toán học, về chuyển động của các thiên thể và phi thuyền không gian và về quĩ đạo tối ưu. Nhiều bài viết của ông đã được chuyển dịch sang Pháp, Nga và Hoa ngữ. Nhiều công thức ông tìm ra đã được dùng trong những sách giáo khoa ở các nước Pháp, Nga và Nhật Bản mà những tác giả đã căn cứ lên những tài liệu và sách ông viết ở Hoa Kỳ.

Thành quả về nghiên cứu khoa học và giáo dục khoa học không gian tại các trường đại học trên thế giới cuả ông được liệt kê khá nhiều trong những tài liệu để ở những thư viện chuyên khoa. Ông cũng nhận được nhiều giải thưởng trên nhiều lãnh vực, chưa kể trong lãnh vực giáo dục và nghiên cứu khoa học không gian là lãnh vực chuyên môn của ông. Tôi thấy thật là khó viết cho đầy đủ hay nói cho trọn vẹn trong một khuôn khổ hạn hẹp những thành quả của giáo sư Nguyễn Xuân Vinh. Tôi nhớ là nhà thơ và triết gia Võ Thạnh Văn đã có lần nói ông muốn có dịp để nói trong ba giờ liền sự nghiệp của giáo sư Nguyễn Xuân Vinh. Suốt năm qua, có dịp cùng với bác sĩ Phạm Đức Vượng làm việc chung với ông, tôi được biết thêm nhiều điều mà người ngoài không biết.

Giáo sư Toàn Phong Nguyễn xuân Vinh không chỉ là một khoa học gia không gian “đầu tiên” và “hàng đầu” của Việt Nam , mà ông còn có vị trí rất lớn trong ngành không gian thế giới. Điều này ngày xưa ở Việt nam tôi chỉ nghe nói nhưng cũng không hiểu thấu đáo nhất là Việt nam ta hay “nói quá” về những thành tích cuả người mình. Nhưng có lần cùng bác sĩ Vượng đứng với ông trong căn phòng làm việc nhỏ bé tràn đầy sách vở dưới sàn, bít cả lối đi, tôi giật mình rung động trước những tấm plaques và bằng khen ngợi của các cơ quan quốc tế và Hoa Kỳ dành cho những đóng góp cuả ông cho khoa học không gian thế giới. Đặc biệt tôi chú ý tới cái bằng và huy chương của American Institute of Aeronautics and Astronautics (viết tắt là AIAA) là Hiệp Hội của tất cả các kỹ sư và khoa học gia Hoa Kỳ trong ngành Hàng không và Không gian mới khen ngợi các đóng góp cuả ông trong cả 2 lãnh vực vừa trong bầu khí quyển (atmosphere) vừa trong không gian ngoại từng khí quyển (space). Huy chương này, mỗi năm AIAA chỉ tặng cho một khoa học gia không gian duy nhất. Gần ông và được thấy những chồng sách trong phòng làm việc của ông tôi mới được biết ông là người Á châu đầu tiên và là người Việt nam độc nhất được bầu vào Hàn Lâm Viện Hàng không và Không gian Pháp quốc, một Hàn Lâm Viện mà số hội viên hạn chế, đã có những danh nhân như nhà kiến trúc hàng không Marcel Dassault, như cựu thủ tướng Michel Debré, một trong 40 ông viện sĩ bất tử trong Hàn Lâm Viện Pháp . Sau GS Vinh, người Á châu thứ nhì được bầu vào Hàn Lâm Viện này là kỹ sư hàng không Bacharuddin Habibie, cựu tổng thống của Nam Dương. Trong những bảng lưu niệm tặng cho những thuyết trình viên danh dự ở các hội nghị, tôi thấy ông được mời tới nói chuyện ở Hội Nghị Thường Niên của Ủy Ban Điều Hợp Nguyên Tử Lực Hoa Kỳ ở Maryland và ở Hội Nghị Lưỡng Niên Toàn Cầu của Công ty Hoá chất Dupont ở Delaware. Tôi không ngờ là ông cũng nổi tiếng trong hai lãnh vực Nguyên Tử Lực và Hoá Học nên hỏi ông về điều này. Ông lắc đầu trả lời: “Kiến thức về Vật Lý và Hoá Học của tôi chỉ ở mức trung bình như một người thường. Họ không mời tôi đến nói về những môn khoa học chuyên môn mà về một đề tài tôi tự lựa chọn. Như ở Hội Nghị Nguyên Tử Lực tôi nói về đề tài “Exploration of Inner Space” có ý nghĩa là con người đã có những thám hiểm ở ngoài không gian (outer space) thì cũng nên có lúc tìm hiểu về nội tâm (inner space) của chính mình.”