Detmer deltog i BYU, där han spelade för BYU Cougars fotbollslag från 1987 till 1991. När han bestämde sig för vilket college han skulle delta, var han delvis lockad av BYUS alkoholfria miljö. Han redshirted för Cougars under säsongen 1987 och delade quarterback-uppgifter med Sean Covey som redshirt-nybörjare 1988. Detmer startade bara ett spel det året, men han utnyttjade möjligheten och passerade för 333 yards och fem touchdowns i en 65-0 seger över New Mexico. Senare utsågs han till mest värdefulla spelare i 1988 Freedom Bowl, efter att ha gått in i spelet som ersättare och ledde BYU till en come-from-behind 20-17 seger över Colorado Buffaloes.

Detmer blev heltid starter 1989. Han framträdde som en av de bästa quarterbackarna i landet och passerade för 4560 yards och 32 touchdowns under ordinarie säsong. Hans passerbetyg på 175,6 ledde NCAA, och han slutade andra till Houstons Andre Ware i totalt brott. Han ledde BYU till en Western Athletic Conference (WAC) mästerskap, lagets första sedan 1985. Detmer avslutade säsongen med en stark prestation mot Penn State i 1989 Holiday Bowl, sätta NCAA-rekord för de flesta passerande varv (576) och de flesta varv av totalt brott (594) i ett enda skålspel. Han slutade nionde i Heisman Trophy-omröstningen.

Detmers juniorsäsong 1990 rankas som en av de största säsongerna för en quarterback i college fotbollshistoria. Han passerade för 5 188 yards och 41 touchdowns i 12 ordinarie säsongsmatcher och avslutade året med 42 NCAA-poster (och bundet för fem andra). Säsongens höjdpunkt var BYUS 28-21 upprörda seger över de topprankade Miami Hurricanes; Detmer ledde Cougars genom att passera för 406 yards och tre touchdowns mot de försvarande nationella mästarna. För sin prestation den säsongen tilldelades han Heisman Trophy, liksom många andra utmärkelser inklusive Maxwell och Davey O ’ Brien awards. Han erkändes som en konsensus första laget All-American, efter att ha utsetts till de första lagen i Associated Press, UPI, Newspaper Enterprise Association, Football Writers Association of America, Walter Camp Foundation, Football News, Scripps Howard, och den Sporting News. Tyvärr för Detmer och BYU slutade säsongen på katastrofalt sätt: Cougars förlorade 59-28 i sitt sista ordinarie säsongsmatch mot Hawaii och förlorade sedan 65-14 mot Texas a&M i 1990 Holiday Bowl. Detmer slogs ut ur matchen mot Texas a&m, lider av två separerade axlar som krävde operation utanför säsongen.

säsongen 1991 började dåligt för BYU, eftersom Cougars förlorade sina tre första matcher (på ett neutralt fält mot #1 Florida State och vägtävlingar mot #23 UCLA och #12 Penn State). Efter en 0-3 start vände Detmer och BYU saker. Cougars vann åtta raka matcher och slog sitt tredje WAC-mästerskap i rad med 52-52 oavgjort mot San Diego State i deras sista ordinarie säsongsväg. I den tävlingen föll BYU efter 45-17 innan Detmer ledde en comeback. Han avslutade spelet med 599 passerande varv och sex touchdowns, båda karriärhöjderna. I sitt sista spel som Cougar passerade Detmer 350 yards för att leda BYU till en 13-13 oavgjort mot starkt gynnad #7 Iowa i 1991 Holiday Bowl. Han uppgick till 4 031 passerande varv och 35 touchdowns i ordinarie säsongsspel under sitt seniorår. Han slutade tredje i Heisman Trophy-omröstningen, men vann Davey O ’ Brien Award igen och fick också Sammy Baugh Trophy och Dagens Top vi Award. Dessutom erkändes han igen som ett konsensus första lag All-American.

Detmer avslutade sin college karriär med följande summor: 1 530 passförsök; 958 avslutningar; 15 031 passerande varv; 121 touchdown—pass; 14 665 yards totalt brott; 135 touchdowns ansvariga för; och 162,7 passer-Betyg-alla NCAA-poster vid den tiden. Totalt avslutade han sin college karriär med 59 NCAA-poster och bundet för tre andra. Inklusive statistik från skålspel samlade Detmer 16 206 passerande varv och 127 touchdown-pass vid BYU. Han tog examen med en kandidatexamen i rekreationsadministration. År 2012 infördes Detmer i College Football Hall of Fame.