درخشش فوق العاده تمام کرد. با وجود پیشنهادهای زیادی که برای ادامه تحصیل در خارج از کشور و پذیرش مسئولیت های مهم در رشته های مختلف کار، به ایشان شده بود ولی او تحصیلات علوم دینی و درس حوزه را انتخاب و در آغاز، در سن نوزده سالگی بدست مرحوم آیة الله آقا میرزامحمد طهرانی (صاحب مستدرک البحار) که از بزرگان زمان و دانی پدرشان بودند، به لباس علم ملبس و معمم شده و همان سال 1346 هـ ق، به قم رفت و در مدرسه حجتیه آنجا مقیم شد.

اقامت در قم:
دوران درسی در حوزه علمیه قم بسیار موفقیت آمیز بود. از همان سالهای اول به جمع شاگردان مفسر بزرگ قرآن، مرحوم علامه طباطبائی (صاحب تفسیر المیزان) پیوست و از یاران خاص او بود و از درس حکمت و تفسیر و عرفان عملی وی استفاده فراوان نمود، همچنین در سطوح مختلف علمی و مجاهدات عملی در طی مدت 7 سال از اساتید آنجا، بهره های علمی برد و تلاش های علمی دیگری از جمله استنساخ کتب ارزشمند داشت زیرا در آن دوران که وسائل زیادی برای تکثیر نبود متداول ترین راه آن، نسخه برداری دستی بود. یادگاری ارزشمند در این زمینه از ایشان به جای مانده است.

هجرت به نجف اشرف:
علامه طهرانی برای تکمیل تحصیلات و علوم دینی در آغاز سن 27 سالگی به عراق رفت و در نجف اشرف ساکن شد. در آنجا در فقه و اصول و حدیث و رجال، از محضر علما و فقهای بزرگ نجف کسب فیض کرد و بنا به سفارش و توصیه علامه طباطبائی با مرحوم آیة الله حاج شیخ عباس قوچانی (وصی مرحوم قاضی طباطبائی) آشنا و در مسائل سلوکی و عرفانی حشر و نشر پیدا کرد و بعد به خدمت آیة الله سید جمال الدین گلپایگانی و آیة الله شیخ محمدجواد انصاری رسید و با آنها انس و مراوده زیادی داشته و از این راه به تثبیت پایه های عرفان عملی خود پرداخت و در طول مدت اقامتش در نجف، هر شب پنجشنبه در مسجد سهله، بیتوته می کرد. مجاهده ها و مراقبه های مستمر و ریاضت های شرعیه تحت عنایات حضرت علی علیه السلام و حضرت سیدالشهداء سلام الله علیه، سرانجام وی را به حضور انسان کامل و عارف بزرگی بنام مرحوم حاج سیدهاشم موسوی حداد که از اقدام و افضل شاگردان آیة الله حاج سیدعلی قاضی طباطبائی بود، رساند و فصل نوینی را در زندگی توحیدی و عرفانی ایشان، پدید آورد (برای اطلاع به کتب مربوطه مراجعه شود).

بازگشت به طهران:
سال 1377 هـ ق، در سن 33 سالگی بعد از اتمام تحصیلات عالیه علوم مختلفه حوزوی و علوم نقلی و عقلی و کسب فضائل ظاهری و باطنی و رسیدن به اجتهاد به جهت ادای تکلیف در ترویج و گسترش توحید و ولایت و اقامه شعائر دینی، بنا به اشارات اساتید و دستور حضرت آیة الله حاج شیخ محمدجواد انصاری همدانی، به طهران بازگشت و در نشر احکام اسلام و ارشاد مردم و تهذیب و تزکیه نفوس آنان، در کار مسجد و منبر پرداخت.

شخصت سیاسی و مبارزاتی علامه:
وی از زمانی که در نجف بود، همیشه «فکر تشکیل حکومت اسلامی و رهائی از حکومت طاغوت» را به عنوان یک وظیفه الهی می دانست و تعقیب می کرد، لذا وقتی به تهران برگشت، از همان اوائل، فعالیت های خود را شروع کرد و چون ریشه همه ناهنجاری ها را حکومت ظلم و مبارزه با آن را وظیفه اصلی می دانست، مجالس خصوصی با علماء و مجالس عمومی با توده مردم، با بیان های گوناگون و مستند به آیات قرآن، ترتیب داد. با رحلت آیة الله بروجردی و تحرکات اسلام ستیزانه حکومت محمدرضا پهلوی (شاه ایران) از آنجا که بیش از همه علماء، بنیانگذار انقلاب اسلامی جدی و محکم به صحنه آمده و درخشش فوق العاده داشت، علامه طهرانی در قضایای 15 خرداد با سابقه آشنائی اش با رهبر انقلاب ارتباطی دقیق و محکم را، پی ریزی کرد و قدم به قدم در مسیر شروع و اوج گیری نهضت به همکاری و همفکری گسترده پرداخت. با پیروزی انقلاب اسلامی و تاسیس حکومت اسلام، نهایت سعی خود را در شکل گیری صحییح قانون اساسی و پیش نویس آن بر «حاکمیت اسلام و محوریت ولایت فقیه» و تاکید و تصویب آن در مجلس خبرگان از راههای مختلف نمود. وی در خلال ملاقات های خصوصی با رهبر فقید انقلاب، نقطه نظرها و پیشنهاداتش را توسط "شهید مرتضی مطهری" که از دوستان قدیمی و شاگردان سلوکی ایشان به شمار می آمد، ابلاغ کرد.

این عالم عارف، بعد از 23 سال تلاش مستمر و مخلصانه در سال 1400 هـ ق، به امر استادش (حاج سیدهاشم حداد) به مشهد مقدس رفت و مدت پانزده سال آخر عمر خود در آنجا بود. در این مدت، علاوه بر ترویج توحید و ولایت و تربیت شاگردان و طلاب، به تالیف و نشر (دوره علوم و معارف اسلام) پرداخت و آثار بسیار گرانقدری در همین زمینه از خود برجای گذاشت.

برخی از آثار:
1- امام شناسی (هجده جلد)
2- معادشناسی (10 جلد)
3- الله شناسی (3 جلد)
4- توحید علمی و عینی در مکاتب حکمی و عرفانی
5- رساله بدیعه
6- وظیفه فرد مسلمان در احیای حکومت اسلام
7- ولایت فقیه در حکومت اسلام(4 جلد)
8- لمعات الحسین
9- نور ملکوت قرآن (4 جلد)
10- رساله لب اللباب در سیر و سلوک الی الله

اساتید در قم:
آیة الله حاج شیخ عبدالجواد سدهی
آیة الله حاج سید رضا بهاء الدینی
آیة الله حاج شیخ مرتضی حائری
آیة الله حاج سیدمحمد داماد
آیة الله حاج سیدمحمد حجت
آیة الله حاج آقا حسین بروجردی
آیة الله حاج علامه محمدحسین طباطبائی

اساتید در نجف:
آیة الله حاج شیخ حسین حلی (در فقه و اصول)
آیة الله حاج سید ابوالقاسم خوئی (خارج اصول و ...)
آیة الله حاج سیدمحمود شاهرودی
آیة الله حاج شیخ آقابزرگ طهرانی (حدیث و رجال)
آیة الله حاج سیدجمال الدین گلپایگانی

وفات:
علامه سیدمحمدحسین طهرانی، روز نهم ماه صفر سال 1416 هجری قمری در مشهد مقدس دار فانی را وداع کرد. مدفن وی در قسمت جنوب شرقی صحن انقلاب (عتیق) در آستانه کفشداری می باشد.