לימודי תואר שלישי (לתואר דוקטור) מיועדים לסטודנטים נבחרים, בעלי תואר מ"א (במסלול עם תזה), המעוניינים בהתמחות בנושא ספציפי הקשור לתחומי מדעי הלמידה וההוראה ובביצוע מחקר מקיף ומעמיק בנושא זה. לימודי הדוקטורט כוללים השתתפות במספר מצומצם של קורסים ועיקר הלימוד כרוך בכתיבת הצעת המחקר, בביצועו ובכתיבת דו"ח המחקר הסופי – כל זאת בהנחיית מנחה אישי מסגל החוג. משך הלימודים הינו כארבע שנים.