1921 half sie bei Ausgrabungsarbeiten an der französischen Mittelmeerküste und fällte danach eine wichtige Entscheidung: Sie schrieb sich am Londoner University College ein und hörte fortan Vorlesungen bei den bedeutendsten Ägyptologen ihrer Zeit: Flinders Petrie und Margaret Murray. Daneben studierte sie Paläontologie bei Dorothea Bate am Naturhistorischen Museum in Kensington, nahm Arabischunterricht an der School of Oriental Studies und ließ sich an der School of Mines im Schnellkurs in das Vermessungswesen einführen.

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Südfranzösische Küste bei Menton mit paläolithischen Höhlenstationen (Postkartenmotiv)
 
Mit den Petries in Ägypten und die Nilpferde von Malta

Noch im gleichen Jahr begleitete Gertrude Caton-Thompson zum ersten Mal Flinders Petrie und seine Frau Hilda in das mittelägyptische Abydos, der wichtigsten prädynastischen Begräbnisstätte. Ihr Interesse galt von Anfang an der bis dahin nahezu unerforschten Prähistorie Ägyptens und damit vor allem einer ganz bestimmten Spezies von Artefakten: den zwischen Geröll und Wüstensand eher unscheinbar wirkenden Steingeräten. Zu ihrer Zeit hielten nur wenige Experten diese überhaupt für echt, noch weniger hielt man es für sinnvoll, angesichts zahlloser verschütteter Tempel und Grabanlagen ausgerechnet in Ägypten nach ihnen zu suchen. Sofort begab sie sich jedoch zusammen mit einem ortskundigen Qufti auf Geländebegehungen in die angrenzende Wüste. Schon wenig später stieß sie auf einen Fundplatz mit altpaläolithischen Steinwerkzeugen des Moustériens.

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Flinders Petrie (1853–1942) in Abydos (Aufnahme von 1922, Archiv des Egypt Exploration Fund)

Bereits im darauffolgenden Sommer übernahm sie als Assistentin von Margaret Murray die Leitung einer Ausgrabung in der Stalaktitenhöhle Għar Dalam auf Malta. Hier waren bereits zahlreiche Funde von pleistozänen Tierknochen gemacht worden. Lebten einst etwa auch Neandertaler auf der kleinen Insel? Gertrude Caton-Thompson wandte eine sehr sorgfältige Ausgrabungsmethodik an und fand tatsächlich fossile Nilpferdknochen, aber kein einziges Steingerät, das die gleichzeitige Anwesenheit von Menschen belegte. Die maltesischen Nilpferde waren somit zumindest nicht aufgrund von Überjagung ausgestorben. Nach dieser erfolgreichen Mission beschloss Caton-Thompson, sich ab 1923 am Newnham College in Cambridge noch stärker dem Studium der Geologie, Zoologie, Paläontologie und Anthropologie zu widmen.

In der folgenden Saison begleitete sie die Petries, die mittlerweile in Qau al-Kebir arbeiteten, erneut nach Ägypten. Gertrude Caton-Thompson übernachtete hier – wie schon in Abydos stets mit einem Revolver unter dem Kissen – in einem leeren Felsengrab, das sie nach eigener Aussage mit drei Kobras teilte. Im Auftrag von Petrie untersuchte sie diesmal die taphonomische Entstehung von prähistorischen Knochendepositen.