为了进一步在专业领域得到深造的机会，1986年1月陈赛娟被学校派赴法国巴黎著名的血液病研究中心圣·路易医院血液病研究所进修。在此之前，陈竺在我国著名内分泌学奠基人邝安堃教授的极力推荐下，于1984年10月被学校派往该医院担任外籍住院医生。到了法国后，觉察到分子生物学研究正在深入至生命科学各个领域，陈竺下定决心，掌握分子生物学的基本理论和方法，揭示肿瘤的发病原理和开创相应的治疗机制。通过调研，陈赛娟认识到细胞和分子遗传学是白血病诊断的重要依据，也是白血病分子机制研究的突破口，而国内血液学界尚缺少这门学科。因此，陈赛娟决心以细胞遗传学研究为切入点，架设一座血液学临床和分子研究的桥梁，探索白血病的发病机制。为了专心致志地做研究，陈赛娟将不满二岁的儿子留在国内，报考了巴黎第七大学的博士学位，师从国际著名细胞遗传学家洛朗·贝尔杰。从此，白血病的基础和临床研究成了陈赛娟一生追求的事业。
在攻读博士学位的初期，陈赛娟一方面学习细胞遗传学核型分析的方法，另一方面研究带有费城染色体（由第9号和第22号染色体相互易位所致）的白血病细胞之免疫表型，即在细胞膜不破裂的情况下同时作核型分析和免疫表型分析。当时染色体荧光素原位杂交技术尚未引入，尽管化了整整六个月的时间进行研究，进展仍不顺利。1986年，分子生物学正处于快速发展的阶段，应用Southern、Northern分析，DNA测序、分子克隆和染色体步移等方法，陈赛娟终于在“费城染色体”阳性的急性白血病中鉴定了一种新的分子畸变。在此种畸变中，费城染色体形成过程中22号染色体BCR基因的断裂点不是位于慢性粒细胞白血病的经典区域（基因的第12至14内含子），而是位于BCR基因的第一内含子，从而为疾病的诊断和鉴别诊断提供了有用的分子标志，也为该型白血病染色体易位的可能机制提供了工作模型。在法国三年多时间，陈赛娟每天工作12-14小时，从无间断。辛勤的耕耘终于换来了甜蜜的收获，陈赛娟一共发表了十二篇论文，其中在《Blood》、《Oncogene》、《Nucleic Acids Reserch》、《Leukemia》等杂志以第一作者发表论文6篇。1989年，陈赛娟以最佳评分通过论文答辩，获得法国巴黎第七大学科学博士学位。参加博士论文答辩委员会的一位法国专家说：“我也做过类似的研究，知道要攻克这项难题非常不容易，要付出很多艰辛的劳动。”陈赛娟的导师开玩笑地对人说，“我不能直接称她是居里夫人，但她是一个非常有韧性的女性。”
在法国巴黎三年多的学习和生活，是陈赛娟的科学研究生涯逐渐走向成熟的过程，也使她第一次了解了西方世界，结识了不少法国朋友，进入了学术圈。然而，不经意间一个问题却悄然而至：是留在法国进行得心应手的科学研究，过着欧式舒适生活，还是回国艰苦创业？一些好心的朋友提出了建议，认为在西方国家发展机会更多。陈赛娟和陈竺也有过一些讨论，但他们的结论却与之相反：中国的科学事业更需要人才。他们对法国文化的热爱绝不会少，但对祖国的热爱则更多。实际上，在出国期间陈赛娟夫妇一直将孩子留在国内，也就是要用对孩子的思念来更加坚强回国创业的决心。
1989年7月4日，陈赛娟和陈竺一起登上了回国的班机。临行前，许多法国同事非常担扰，都劝说陈赛娟夫妇改变主意。一些资深专家说：不要回去了，留在这里，你们肯定能拿到终身职位，会有非常好的前途。对于陈赛娟夫妇的回国，国内很多人也不理解。那时“出国风”正处于高峰阶段，有些人甚至以为他们肯定是在国外混不下去了才要回国。陈赛娟心里想，不管人家怎么说，让历史证明他们是选择了一条正确的道路吧！至于科研条件，没有也可以创造。陈赛娟夫妇不讲大道理，但他们不能违背中华民族的古训：滴水之恩当涌泉相报。祖国养育了陈赛娟，陈赛娟要为祖国服务，尤其在祖国处于困难的时刻。当法国导师贝尔杰了解到陈赛娟夫妇坚持回国是为了投身于国家的科学事业，也非常感动。他亲自带着陈赛娟夫妇去法国癌症基金会说服其负责人，争取到一笔十万法郎的基金资助陈赛娟夫妇回国创建实验室。在当时，十万法郎也算一笔不小的资金，陈赛娟夫妇全部买成了仪器设备运回国内。
