תהליך הקבלה ללימודי דוקטורט מתבצע דרך הרשות לתלמידי מחקר. בדרך כלל, הקבלה מותנית בסיום תואר שני עם תזה בממוצע 85 ומעלה באוניברסיטה העברית או במוסד מקביל. בטרם יתקבל, על התלמיד למצוא מנחה מתוך חברי סגל המכון.

קיים מסלול מעבר לדוקטורט לתלמידי תואר שני במסלול המחקרי.

ללימודי הדוקטורט שני שלבים. שלב א' מוקדש ברובו ללמידת תחום המחקר ומציאת שאלות המחקר. בסיום שלב א' נדרש התלמיד להגיש הצעת מחקר מפורטת, אשר תעמוד לאישורה של ועדת מומחים. שלב א' אמור לארוך שנה וחצי לכל היותר, ולאחריו מתחיל שלב ב', המוקדש ברובו לעבודת המחקר.

באופן כללי התואר מורכב מלמידת קורסים, מחקר וכתיבת עבודת גמר:

• קורסים: על תלמיד הדוקטורט להשלים 12 נקודות זכות. במהלך התואר חובה להשתתף בסמינר דוקטורנטים במתמטיקה ובסדנה בהצגת חומרים מתמטיים. יתר הקורסים נבחרים מתוך רשימת הקורסים והסמינרים במכון, פרטים נוספים ניתן למצוא בשנתון האוניברסיטה. 
• מחקר: רוב זמנו של תלמיד הדוקטורט מוקדש למחקר. תוצאות המחקר הם הבסיס העיקרי לעבודת הגמר.
• עבודת גמר: עבודת הגמר מהווה מסמך המסכם את מחקרו של הסטודנט. ניתן להגיש את העבודה כמסמך יחיד או כאסופת מאמרים. את העבודה יכתוב התלמיד בסמוך לסיום התואר וזו תוערך על ידי המנחה ומספר מומחים חיצוניים.

תלמידי דוקטורט מקבלים מלגה מחיה. סכום המלגה הוא כ-6,333 ש"ח בשלב א' וכ-7,333 ש"ח בשלב ב'. המלגה מותנית בביצועים אקדמאים. בנוסף, רוב תלמידי הדוקטורט עובדים כמתרגלים בקורסי הבוגר והמוסמך ומקבלים על כך שכר. תנאי המשרה כפופים להסכם עם ארגון המורים והחוקרים, ראו לדוגמא מתווה העסקה למדריכים בתרגול פעיל.

רב מסיימי תואר הדוקטורט באוניברסיטה העברית ממשיכים באקדמיה או עוברים לעבוד במשרות בהייטק, בפיננסים או בהשכלה גבוהה.

אלו מביניהם שיבקשו להמשיך באקדמיה יגישו בקשות מועמדות למשרות בתר-דוקטורט בארץ ובחו"ל. הגשת מועמדות נעשית בדרך כלל בסתיו של השנה האחרונה לתואר. משרות בתר-דוקטורט הן משרות התמחות אקדמאית, ובהן מצופה מהחוקרים הצעירים להמשיך ולפתח את מיומנויות המחקר שלהם באופן עצמאי. ההתמחות נמשכת בדרך כלל כשנתיים או שלוש. לאחר התמחות אחת או שתיים מגישים החוקרים מועמדות למשרות קבועות.

בעלי תואר דוקטור שיעדיפו לפנות לתחומים אחרים, יגלו כי כישוריהם מבוקשים גם מחוץ לאקדמיה בתחומי הטכנולוגיה, הכלכלה, החינוך המתמטי ובכל מקום בו מעריכים את היכולת ללמוד ולחקור באופן עצמאי.