Comenzó a estudiar piano con su hermano, José Augusto. Cuando la vida profesional de su hermano impidió que las clases tuvieran mayor regularidad, la familia decidió buscar un profesor particular. Seleccionado tras una audición, desde 1910 Souza Lima pasó a estudiar con Luigi Chiaffarelli, quien consideró que el joven tenía mucho talento y le ofreció clases gratuitas. En la clase de este profesor fue compañero de Gilda Carvalho y Antonieta Rudge, con quienes practicaba música de cámara (piano a cuatro manos). Su hermano le enseñaba a leer a primera vista.
Probablemente debido a esta práctica, comenzó a acompañar a solistas que visitaban la ciudad para dar conciertos de violín, violonchelo, canto y flauta. Le pidió a su amigo Carlos Pagliuchi que le presentara en el ámbito de los conjuntos que tocaban en los cines. Pagliuchi lo contrató como asistente en la dirección musical del cine Pathé Palace. Pronto pasó a sustituir a Pagliuchi en el cargo. Trabajó también en el Cine Marconi, el Cinema Central y el Teatro Esperia. Con el conjunto de este cine comenzó a tocar también en casas de familias adineradas, bailes y en el Hotel de La Plage en Guarujá, durante las vacaciones de verano.
Chiaffarelli le recomendó que estudiara armonía, contrapunto, fuga y composición con el profesor Agostino Cantù, recién llegado de Milán. Este fue también profesor de Francisco Mignone y Savino de Benedictis. Sus primeras composiciones fueron bailes de salón y piezas de música popular. Una de esas piezas, el tango «Amor avacalhado», fue utilizada por Darius Milhaud en su ballet «Le boeuf sur le toit». En un concurso de composición organizado por la revista «A Cigarra» y patrocinado por la Casa Levy, ganó el primer premio en la categoría «tango» y el segundo en la categoría «vals», siendo Mignone el ganador en esta última categoría.
Un amigo le presentó al doctor José Estanislau do Amaral, padre de la pintora Tarsila do Amaral, cuya casa comenzó a frecuentar. También era asiduo de la casa del senador José de Freitas Valle, conocida como Villa Kyrial, que constituía un importante centro de la vida cultural de São Paulo. Gracias a su amistad con el senador, que también era presidente de la Comisión del Pensionado Artístico del Estado de São Paulo, obtuvo una beca y se trasladó a París.
Residió en esa ciudad entre 1919 y 1930. Estudió piano primero con Isidor Philipp y, posteriormente, ingresó mediante concurso en el Conservatorio de París, en la clase de Marguerite Long. A partir de 1921 también asistió a la clase de Música de Cámara con Camille Chevillard y a la de Historia de la Música con Maurice Emmanuel. Además, comenzó a sustituir a su profesora cuando esta no podía impartir clases. En 1922 recibió el primer premio en el concurso de alumnos de piano del Conservatorio, lo que le valió la atención de la prensa especializada parisina. A partir de ese año inició su carrera como concertista.
Su carrera como pianista incluyó recitales en Brasil, conciertos en París y giras por el norte de África, Italia y Berlín. Tras su regreso a Brasil en 1930, participó en las giras de Heitor Villa-Lobos en Recife y en el interior del estado de São Paulo. A partir de 1932 siguió su propia carrera de conciertos en Brasil, actuando en São Paulo y Río de Janeiro, además de realizar una gira por el estado de Rio Grande do Sul (que también llegó a Montevideo y Buenos Aires) y otra por las ciudades de Manaos, Belém, Fortaleza, Natal y Salvador.
Villa-Lobos y Sousa Lima entablaron amistad en París. Se conocieron en el estudio de Tarsila do Amaral, y fue Sousa Lima quien se encargó de presentarle a los círculos musicales parisinos, con un concierto en el que el pianista interpretó obras de Villa-Lobos en la casa del crítico Henry Prunières, en presencia de Paul Dukas y Florent Schmidt.