有人用“幼时神童、成年人杰、文坛逸士、武学奇才”来形容陈兰彬的一生。的确，陈兰彬从小聪敏过人，在书香世家的熏陶下，研读经世之学，系统地接受传统文化，然后科举成名，一步一步地走上仕途之路。
道光元年（1821）五月初五端午节，按吴川的习俗，在鉴江河上进行龙舟比赛，岸上聚集着欢度节日的人群，儿童们在快乐地放风筝。此情此景激发起5岁童陈兰彬的诗兴，便吟出一首五绝诗：“端阳人竞渡，儿童放纸鸢。飞入云牙里，一线系青天。”陈修省主编：《纪念陈兰彬诗文集》，纪念陈兰彬编委会2007年版，第283页。少儿的聪慧和举止引起周围阵阵掌声。陈兰彬6岁正式入学读书，其父很注意儿子的学业，哪里有名师，就到哪里求学，他除了在本村学塾读书外，还到了龙头雅堂书院、坡头集成书院读书。7岁便熟读三、四、五字经、千家诗和唐诗三百首，8岁读完幼学故事琼林、四书、五经、春秋、礼记。不仅文章写得好，诗、词、歌、赋亦很在行，在家乡有“神童”之称。陈修省主编：《纪念陈兰彬诗文集》，第33页。在读书中，他还注意以名人名句激励自己，当他读到范仲淹的“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的句子时，立志学习范公以天下为己任的爱国爱民精神。
谈起青少年时代的陈兰彬，时人都一致公认他聪颖好读，对古书“背诵如流”，长年累月“手不释卷，训诂词章”，少年时代就已熟读四书五经、唐诗宋词、古文观止。正因为“学力深”，18岁中秀才，闻名高州府一带，第二年又为廪膳生。廪膳生就是经过地方的府、州、县学考试，成绩优秀，月给廪银，廪膳生可依次升为北京国子监学生，这为陈兰彬以后北上奠定基础。
道光十七年（1837），22岁的陈兰彬中“拔贡”，“以优行贡京师，名动公卿”。“优贡”是各省学政三年任满，根据府、州、县教官上报，会同总督巡抚，从在学生员中选取文行俱优的人，由学政考定保送，叫优贡。发榜中式者入京朝考，一等任知县，二等任教职，三等任训导，三等以外的罢归。从此，陈兰彬北往南返，在仕途道路上奋斗。
在离别广东，赴京城应考前，广东老乡董平章送行并赠诗《送东粤陈丽秋明经（兰彬）应京兆试》：
弹彻焦桐海上音，三年幕府暂浮沉。
看人别具常青眼，虚已仍怀若谷心。
枕畔秘书皆豹略，匣中长剑作龙吟。
生平未敢轻期许，倾倒缘君意独深。（箧有家藏兵书兼习舞剑技击入都，后己酉、壬子联捷由庶常改秋曹）
上计车驱向帝乡，临歧好尽故人觞。
我怜粉署巢痕旧，君去芦沟月影凉。
燕市例多名騕袅，玉堂定有大文章。（临行以日下作家见询，以余鄙陋何足知此，故诗意及之）
边城日盼泥金帖，早倩邮筒寄两行。［清］董平章撰：《秦川焚余草》，清光绪二十七年（1901）容斋刻本，辽宁图书馆藏，第2页。
该诗附注中说明，陈兰彬入京时，带有家藏兵书和舞剑技击的武术器物，可见陈兰彬在读书之余，不忘研究兵法和练武术。同时，己酉年（即道光二十九年，1849）至壬子年（即咸丰二年，1852），陈兰彬由“庶常”（即庶吉士）升至“秋曹”。
在京城读书期间，陈兰彬一面“刻苦制艺，练习时务”，一面在京师交友于公卿之间，由于他博览群书，学识益进，在京城中颇具名望，常被置为上宾。在南来北往中，他经常游览长城内外、大江南北，尤其留意沿海商埠港口、历代古战场、军事要塞。这些经历不仅增进他对祖国的了解，也对他思想和日后的事业产生相当大的影响。为陈公撰碑文的朱祖谋简单叙述他的这段历史：“自诸生时，即务经世之学，以优行贡京师，名动公卿间，游秦晋，涉关陇，潜心于古今兵事得失之故，及山川厄塞之要。”朱祖谋：《总理各国事务大臣都察院左副都御史兼署礼部左侍郎陈公神道碑》，见《清代碑传全集》下册，第1720页。清朝举人陈乔森也写道：
公髫龄则聪颖，背诵如流，……手不释卷，训诂词章，穷年孜兀，以有用于世为主。盖承祖父教，学力深，故锋稜悉泯人物无不两善也。年十八进庠，越年为廪膳生，丁酉以行优贡居京师，刻苦制艺，练习时务，知名硕望之士多与针芥，贤公卿将相，或延至为宾主，倚为条画，困阨颖蹶，更不等齐，几乎十余稔始登。陈乔森：《清礼部左侍郎丽秋陈公讳文》，见李钦主编：《陈兰彬颂》，第112页。
陈兰彬喜欢畅游中国的名山大川，薛福成在一篇《四千五百余年元鹤》的轶闻中可以佐证。薛福成谈到在甘肃崆峒山，有一种宇宙间最早出现的动物——元鹤，它生活在黄帝的时代，距现在已有四千五百余年。然而，陈兰彬昔日游崆峒山时，见过此动物，除了生长在黄帝时代的两只元鹤外，还多一小鹤。而且，陈兰彬还游过青海，至龙驹岛，居住在喇嘛寺。陈兰彬是否见过元鹤我们不得而知。但他踏足名胜古迹，对中国古文明充满好奇和兴趣，倒是多处可见。《四千五百余年元鹤》全文如下：
凡人寿不及百年，羽毛鳞介之族寿不过数年至数十年而止，此就寻常人物言之也。若其炼神服气，遁迹深山，年寿既永，而偶显其迹者，今华山有毛女洞，相传毛女是秦始皇时宫人，避乱入山，遍体生毛。罗浮山中有黄道人，相传东晋时葛洪炼丹仙去，道人捞其鼎中余丹吞之，遂为地仙，时时披发敞衣出行山中。又世所传神仙如钟离祖师、吕纯阳，常着灵异，然皆生三代以下，寿不过千岁以外耳。若舍人而论物，今洪泽湖滨之龟山，有井名曰巫支祈井，相传神禹锁巫支祈于此，有大铁链系于井栏，垂入井中，其下深黑，莫窥其底。明季及国初，尝有人拖铁练出而观之，盖一老猴也。此物不知生于何代，然自洪水时至今，厥寿已四千余年矣。犹有前乎此者，甘肃有崆峒山，黄帝访道之地，广成子所居也。广成子既升仙，所养元鹤一双留此不去。每逢朔望，天气晴明，于日出时，自山巅遥望云际，有两鹤张翼如车轮，徘徊翔舞，良久乃去。今出使美国大臣陈荔秋副宪（兰彬）语余云，昔游崆峒，尝亲见之，且曰：“今两鹤外又多一小鹤，道士谓近百年来所添也。”夫两元鹤生于黄帝之世，其寿当在四千五百年以外矣。今宇宙间动物，此殆其最古者也。副宪壮年好奇，尝匹马游青海，踏冰至龙驹岛，居喇嘛寺数日云。薛福成著：《庸庵笔记》，丁凤麟、张道贵点校，南京：江苏人民出版社1983年版，第55页。
同治十二年（1873），陈兰彬在任驻美出洋肄业局监督时，曾写下了《重次千字文》，回忆他青年时离开广东，北上“累困名场”，以及畅游大漠南北，独上塞外，登王母庙，历银川城，住蒙古包等情景。文中曰：
弱冠优贡，乃离广东，俶胆辈毂，特欲图功，累困名场，犹縻故业，欣赏新笺，宝藏旧牒，坐辨唐汉，啸咏盘桓，气移魄芥，交尽鞠兰，矫想九霄，庸绩莫建，驾言出游，姑适已愿，驱輶动轲，勒驴引骡，衣摄青岱，抔映黄河，赵号魏韩，常所信宿，磻洛添泾，俯临属目，岫登王母，庙履令公，刻思禹碣，色别秦松，旷地寥天，独回塞上，历银川城，察蒙古帐，嘉宾获宴，逐步玉堂，石渠闲静，极爱驹光，物阜民欢，宰官豫逸，省会谈禅。《晚清洋务运动事类汇钞》上册，第69页。
在陈兰彬的一生中，鲜为人知的是，他还是一个武学奇才。10岁进武馆拜师习武，练就一身好武艺，身体魁梧雄健，“臂力过人，且娴技击”，还能跳高“三尺”，“常持拄木竿跃过屋塘”，为练臂力，常抱巨石墩在广庭四角练武。陈乔森：《清礼部左侍郎丽秋陈公讳文》，见李钦主编：《陈兰彬颂》，第112页。吴川家乡一直流传他武功高超的趣闻。一次，陈兰彬遇上强盗，十余人围困他，“彼持铁杖拔地跃登屋檐，群盗气馁”，不敢靠近他，赶快逃跑，当巡捕来到时，他跳下来，“则晏然若无事”。李汉魂：《翰林陈兰彬》，见朱振声编：《李汉魂将军日记》上集第1册，第29-30页。陈兰彬喜爱阅读军事著作，潜心研究古今兵事得失，在畅游大江南北时，也喜欢对古战场实地考察，这些知识的积累，在他后来的经历中派上了用途。
在京城，朋友们经常夸耀陈兰彬的才智。朱琦在北京时，经常听到汪慕杜编修提及陈丽秋和李子衡两人之贤，特意作一首诗加以叙述。诗云：
高文复古贵清真，脱纸秋河最绝伦，
京国两生常在口，弈棋百变不由人。
何知鸒鷃篱边物，已是蓬莱顶上身，
更欲乞君材馆录，冰霜小忍到轮囷。［清］朱琦撰：《怡志堂诗初编》，清咸丰七年（1857）刻本，华东师大图书馆藏，第70页。