A su llegada a Madrid, el profesor Palacios le dispensó una cálida acogida y diseñó con ella su plan de estudios. Simultanearía las asignaturas de doctorado en la Facultad de Ciencias con el trabajo en el laboratorio del Instituto para aprender las técnicas de los Rayos X que serían el instrumento de la investigación sobre estructuras cristalinas de su futura tesis doctoral.

El Instituto de Física y Química, popularmente conocido como el Rockefeller, se había inaugurado en febrero de 1932. Piedad de la Cierva recordaba el deslumbramiento que le produjo la entrada en el moderno edificio equipado con las mejores instalaciones del momento. Su estancia fue muy fructífera pues el ambiente selecto y cultivado que se respiraba aumentó aún más su amor a la ciencia y tuvo la oportunidad de conocer a prestigiosos científicos del momento que acudieron a dictar conferencias o intercambiar técnicas y trabajos, como Marie Curie o Albert Einstein.

La sección de Rayos X, dirigida por Julio Palacios contaba con tres becarios y catorce colaboradores, entre los que estaba Piedad de la Cierva. Fue una de las investigadoras de esta sección que realizó una aportación más relevante y continuada, a través de publicaciones en algunas revistas de prestigio.

Su tesis fue presentada en noviembre de 1935, con el título “Factores químicos del azufre y el plomo”. Obtuvo la máxima calificación y el Premio Extraordinario de doctorado. Palacios le propuso entonces solicitar una beca de ampliación de estudios en el extranjero.