Вначале он хотел выбрать своей специальностью химию, но вскоре заинтересовался литературой, а затем психологией, главным образом, вероятно, под влиянием Фрэнка Джелдарда. Джелдард закончил колледж на два года раньше Грейма и, став аспирантом, занимался научной работой в области психологии в университете Кларка, когда Грейм был еще старшекурсником. Джелдард предложил Грейму заняться экспериментальными исследованиями зрения.
В 1927 году Грейм поступил в аспирантуру по курсу психологии в университете Кларка. Среди других аспирантов там работали в то время Гарри Эварт, Уэйн Деннис, Роберт Липер, Норман Манн, Луис Геллерман, Мэйсон Крук и Доротея Йоханссен (впоследствии Крук). На факультете во времена Грейма были такие преподаватели, как Джон Пол Нейф, Уолтер С. Хантер, Реймонд Уиллоуби, Вернон Джоунс и Карл Мерчинсон. Основным преподавателем у Грейма был Нейф, однако большее влияние на него оказал Уолтер Хантер. Боринги (1948) причисляли Грейма к восемнадцати ведущим психологам, которые многое почерпнули у Нейфа и Хантера во время работы над докторскими диссертациями. Будучи учеником Нейфа, научным руководителем которого был Титченер, который, в свою очередь, имел наставником Вундта, Грейм обладал внушительной академической наследственностью!
В докторской диссертации Грейма рассматривался вопрос о том, происходит ли суммация бинокулярного зрения при обнаружении пороговых уровней света. Пространственная и временная суммация энергии для достижения порогового уровня была продемонстрирована на сетчатке одного глаза А будет ли наблюдаться тот же эффект при комбинации подпороговых сигналов? Если это так, то является ли такой эффект продуктом невральной суммации или же просто последствием повышенной вероятности обнаружения сигнала обоими глазами, а не одним? К великому разочарованию Грейма, результаты эксперимента были отрицательными. Позднее, в университете Брауна, Грейм, вспомнив свой собственный опыт, утешал Элиота Стеллара, когда отрицательные результаты появились в его работе над докторской диссертацией. В 1962 году Леонард Матэн, студент Грейма в Колумбийском университете, все-таки обнаружил суммацию бинокулярного зрения при детектировании света в количестве, которое можно было объяснить только на основе невральной суммации.
Закончив докторскую диссертацию в 1930 году, Грейм, как и другие новоиспеченные доктора наук по всей стране, столкнулся с проблемой трудоустройства. В результате Великой депрессии значительно сократились средства, которые могли использовать университеты и колледжи для найма новых сотрудников. Грейму не удалось стать членом Национального научно-исследовательского совета, и будущее для него выглядело безрадостным. К счастью, один из сокурсников Грейма, Роберт Липер, разослал ряд запросов о наличии вакансий, один из которых был адресован в университет 'Гемпла в Филадельфии. Липер получил предложение из Темпла, но к этому времени он уже согласился работать в Арканзасе. Он рекомендовал Грейма, и Кларенс получил работу — должность преподавателя сроком на один год. Его обязанности состояли, главным образом, в преподавании ряда разделов вводной психологии и курса психологии обучения.
Несмотря на то, что занятия проводились с 9 утра до полудня пять дней в неделю, Грейм находил время для другой деятельности. Один биолог в университете Темпла, который заканчивал свою докторскую диссертацию в Пенсильванском университете, пригласил Грейма посетить это учебное заведение. Там X. С. Базетт с факультета физиологии познакомил Грейма с Рагнаром Гранитом, работавшим в Фонде Джонсона для исследований в области медицинской физики, которым руководил в то время Детлев Бронк. Грейм стал работать с Гранитом в Фонде Джонсона по вечерам. Год оказался продуктивным: Грейм и Гранит завершили важное исследование по различению мигающего светового стимула и изучению влияния прилегающих областей стимуляции на порог фузии. Было установлено, что этот порог повышается при наличии второй области стимуляции. Сообщение об этой работе было опубликовано в «Американском журнале физиологии».
Находясь в Филадельфии, Грейм подал еще одно заявление с просьбой принять его в члены Национального научно-исследовательского совета (ННС) и благодаря рекомендациям Гранита, Бронка и Базетта добился успеха. Членство в этой организации обеспечило ему полную поддержку Фонда Джонсона с июля 1931 по июнь 1932 года.