一九零四年,由負責兩廣外交事務之叔父溫宗堯保舉,溫應星考取兩廣官費留學生,九月二十二日與另一名清廷留美學生陳廷甲一起,官費赴美進入維吉尼亞軍校就讀二年級(3rd class),他們的監護人,是帶他們出國的兩廣學務委員陳錦濤;維吉尼亞軍校的記錄上寫著:溫應星「was popular with cadets」(很有人緣)。這一年,美國國會通過「排華法案」無限期延長的決定,華人移民在美國幾乎人人自危,飽受歧視,美國大學裡華人面孔鳳毛麟角。
十八歲的溫應星與陳廷甲進入西點軍校時,亞裔面孔引發眾人好奇,他們登記的地址為華府的清廷駐美公使館,而他們亦對自己的出身三緘其口,學長與同學紛紛猜測這兩位「神秘東方人」的背景,連當時的《紐約時報》(New York Times)也撰文描述了同學們的猜測:「經過一點一點地研究,當陳和溫在西點完成第二年學業時,他們的美國同學們終於建立起這一想法:這兩人中有一個是『中國的王子』,或者至少是個『總督的兒子』,而另一個可能是他的『侍從』。」
除了英文較吃虧,溫應星其他科目的成績都不錯,尤其是實用軍事工程(Practical Military)位列全班第二名。入學時的一百四十五人,到一九零九年六月十一日畢業時,為一百零三人,溫應星以第八十二位上臺,從戰爭部長(United States Secretary of War)迪金遜(Jacob M. Dickinson)手中接過畢業證書,成為清廷第一個西點軍校畢業生,六月二十一日的《紐約時報》是這樣記錄的:「同期畢業生的歡呼震動整座大樓,溫(應星)心花怒放,滿面笑容走下臺,不停向同學們眨眼」;形容溫應星是「最受歡迎的學生之一,也是最聰明的學生之一」,「儘管有語言障礙,但仍以103名畢業生中的第82名畢業」;「瘦小的他在四年裡雖總成為惡作劇的『受害者』,但開得起玩笑,和同學打成一片,被同學們稱為『喬治華盛頓星星』(George Washington Sing Sing)。」
自此,溫應星遭冷凍,長期擔任虛職,一九三七年七七事變爆發後,中國展開全面對日抗戰,既有戰事,便有傷兵,但無經費無地方可安置傷兵,傷兵到處鬧事,國府便成立「全國傷兵管理委員會」,派溫應星擔任主任,此工作頗為棘手,溫應星只得咬緊牙關接下任務;一九三九年十一月赴美,當地報紙《Rockbridge County News》詢問他對中日戰爭的看法,他說:「中日雙方均犯了一個很大的錯誤,日本誤認中國會很快被打垮,而中國錯以為日本會因戰爭而經濟崩潰;中國雖損失慘重,但會繼續奮戰下去;中日戰爭不會馬上結束,反而會比歐洲戰場持續更久。」
溫應星學成返國四十年,雖曾位居要津,並無甚積蓄,赴美後寄寓堂侄處,由西點軍校同班同學賀克尼斯(Lindsay C.Herkness)出借他兩千美金,才得以在華府威斯康辛大道2328號開了一家機器洗衣店,將屆七旬的老人每天辛苦工作十四小時,從早六點到晚八點,《華盛頓郵報》一九五四年九月二日撰文報導,文中他慨嘆一生為國,卻無法貢獻所長,為了照顧店裡那二十臺洗衣機,「I never worked so hard in my life(我一生從沒這麼辛苦工作過)」,並附他在洗衣店中的工作照片。