Detmer ha frequentato BYU, dove ha giocato per la squadra di calcio BYU Cougars dal 1987 al 1991. Nel decidere quale college frequentare, era in parte attratto dall’ambiente privo di alcol di BYU. Egli redshirted per i Cougars durante la stagione 1987, e doveri quarterback condiviso con Sean Covey come matricola redshirt nel 1988. Detmer iniziò solo una partita quell’anno, ma sfruttò al meglio l’opportunità, passando per 333 yard e cinque touchdown nella vittoria per 65-0 sul New Mexico. Più tardi, fu nominato Most Valuable Player of the 1988 Freedom Bowl, dopo essere entrato nel gioco come sostituto e portando BYU a una vittoria per 20-17 sui Colorado Buffaloes.

Detmer divenne il titolare a tempo pieno nel 1989. Egli emerse come uno dei migliori quarterback della nazione, passando per 4.560 yard e 32 touchdown durante la stagione regolare. Il suo passer rating di 175.6 ha portato la NCAA, e ha finito secondo a Houston Andre Ware in attacco totale. Ha guidato la BYU a un campionato Western Athletic Conference (WAC), il primo della squadra dal 1985. Detmer terminò la stagione con una buona prestazione contro Penn State nell’Holiday Bowl 1989, stabilendo i record NCAA per il maggior numero di yard passate (576) e il maggior numero di yard di attacco totale (594) in una singola partita. Ha finito nono nella votazione Heisman Trophy.

La stagione junior 1990 di Detmer è una delle più grandi stagioni per un quarterback nella storia del football universitario. Passò per 5.188 yard e 41 touchdown in 12 partite di stagione regolare, e terminò l’anno con 42 record NCAA (e pareggiò per altri cinque). Il punto più alto della stagione fu la vittoria di BYU 28-21 contro i Miami Hurricanes; Detmer guidò i Cougars passando per 406 yard e tre touchdown contro i campioni nazionali in carica. Per la sua performance in quella stagione, è stato premiato con l’Heisman Trophy, così come molti altri riconoscimenti tra cui il Maxwell e Davey O’Brien awards. È stato riconosciuto come un consenso first-team All-american, essendo stato nominato per le prime squadre di the Associated Press, UPI, Newspaper Enterprise Association, Football Writers Association of America, Walter Camp Foundation, Football News, Scripps Howard e the Sporting News. Sfortunatamente per Detmer e BYU, la stagione finì in modo disastroso: i Cougars persero 59-28 nella loro ultima partita di stagione regolare contro le Hawaii, poi persero 65-14 contro Texas A&M nell’Holiday Bowl 1990. Detmer è stato eliminato dalla partita contro Texas A & M, soffrendo due spalle separate che hanno richiesto un intervento chirurgico fuori stagione.

La stagione 1991 iniziò male per la BYU, poiché i Cougars persero le loro prime tre partite (in campo neutro contro la #1 Florida State e le gare su strada contro la #23 UCLA e la #12 Penn State). Dopo un inizio 0-3, Detmer e BYU hanno cambiato le cose. I Cougars hanno vinto otto partite consecutive e hanno conquistato il loro terzo campionato WAC consecutivo con un pareggio 52-52 contro lo Stato di San Diego nella loro ultima partita di regular season. In quella gara, BYU cadde dietro 45-17 prima che Detmer guidasse una rimonta. Terminò la partita con 599 yard passate e sei touchdown, entrambi alti in carriera. Nella sua ultima partita come Cougar, Detmer passò per 350 yard per condurre BYU a un pareggio 13-13 contro il favorito # 7 Iowa nell’Holiday Bowl 1991. Ha totalizzato 4.031 yard passate e 35 touchdown nella stagione regolare durante il suo ultimo anno. Ha finito terzo nella votazione Heisman Trophy, ma ha vinto il Davey O’Brien Award di nuovo e ha anche guadagnato il trofeo Sammy Baugh e Top VI Award di oggi. Inoltre, è stato nuovamente riconosciuto come un consenso first-team All-american.

Detmer terminò la sua carriera universitaria con i seguenti totali: 1.530 tentativi di passaggio; 958 completamenti; 15.031 yard passate; 121 passaggi da touchdown; 14.665 yard di attacco totale; 135 touchdown responsabili; e 162,7 passer rating—tutti i record NCAA al momento. In totale, ha terminato la sua carriera universitaria con 59 record NCAA e legato per altri tre. Incluse le statistiche dei bowl games, Detmer accumulò 16.206 yard passate e 127 passaggi da touchdown alla BYU. Si è laureato con una laurea in amministrazione ricreativa. Nel 2012, Detmer è stato inserito nella College Football Hall of Fame.