二戰期間，法庭授予桑格出於良心拒服兵役者的身份，成為布里斯托爾附近一家軍事醫院的勤務兵。服勤期間弗雷德申請劍橋研究生，因為聲明不需要大學經濟支持，獲得生物化學系錄取。他於1940年10 月在Norman Wingate（Bill）的指導下開始攻讀博士學位，一個月後指導教授離職，改由阿爾伯特·紐伯格（Albert Neuberger）指導他做氨基酸賴氨酸在動物體內的代謝的研究。弗雷德謙虛的指出他博士論文並不高明，但在研究所期間也發表了五篇論文，1943年他獲得哲學博士學位。
獨立研究
弗雷德博士畢業之後，指導教授紐伯格離開劍橋前往國家醫學研究所任職，阿爾伯特·查爾斯·奇布諾爾 ( Albert Charles Chibnall )剛剛加入生物化學系擔任系主任，接替即將退休的Hopkins教授。Chibnall，也被稱為Chibs，為弗雷德提供了一個由貝特紀念獎學金支持的職位，弗雷德開始他的第一份工作。貝特紀念獎學金是英國醫學博士後或醫學學位研究中最負盛名和最具競爭力的獎學金之一，培育過7位諾貝爾獎得主。通常只給一年，之後可以延展一年。桑格連續獲得7年獎學金。
Chibs及他的同事了解牛胰島素由氨基酸組成，但對其結構幾乎一無所知。他們發現游離氨基比賴氨酸所能解釋的更多，賴氨酸是唯一具有側鏈氨基的氨基酸，這表明氨基位於結構的末端。Chibs和其他蛋白質化學家認為蛋白質是純化合物，其他人則認為它們是分子的異質混合物。研究人員知道肽鍵將一個氨基酸連接到另一個氨基酸。伯格曼和尼曼猜想蛋白質由某些重複單元氨基酸組合所組成。但是關於蛋白質結構的研究並不多，當時認為這是一項不可能完成的任務。
Chibs 根據Biochemical Journal一篇論文描述了胰島素的游離氨基，提供給弗雷德作為研究方向。弗雷德出版論文時Chibs因為認為自己沒有參與實驗，讓桑格以唯一作者出版。Chibs職業生涯中他採用相同的做法，不剽竊別人研究成果。此後桑格也不在自己沒有沒有參與貢獻的論文中掛名。
劍橋大學必須有教學任命才能成為一名教師，而弗雷德沒有教書，不具備教員身份。弗雷德已經是一位獨立研究員，可以指導研究生。羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）於1947年加入弗雷德研究團隊，成為他指導的第一個第一位博士研究生，波特比桑格還大一歲，因為參加二戰而中斷學業。1972年波特獲得諾貝爾生理學獎，但在1985年即將退休前與妻子去法國度假時候發生連環車禍去世，弗雷德及家人為此傷心不已。
