Если даже ограничиться упоминанием только двух имен – Кокоринова и Деламота как архитектурных наставников Старова в Академии художеств, то серьезность его подготовки станет очевидной.
Старов оказался в числе воспитанников первого выпуска Академии художеств, состоявшегося в 1762 году. Восемнадцатилетний архитектор получил основательную теоретическую подготовку. По окончании академии Старову вручили шпагу (знак личного дворянства), а за успехи и несомненный талант – золотую медаль, дававшую право на заграничную поездку.
По «Уставу Академии художеств», начиная с 1760 года, тех, кто «отлично себя успехами и прилежностью оказали», отправляли на три года «в чужие края». Командированным за границу выплачивали «пенсион»; посланные за рубеж художники и архитекторы назывались пенсионерами. Приказом тогдашнего президента Академии художеств И.И. Шувалова, подписанным 7 января 1762 года, Старова направили во Францию для изучения «славнейших древностей».
Осенью 1762 года Старов прибыл в Париж. Начались годы овладения достижениями европейского зодчества. Лишь 1 сентября 1768 года двадцатичетырехлетний архитектор возвратился в Петербург. Из шести лет, проведенных вдали от родины, пять он прожил в Париже и год в Италии.
В Париже Старов практиковался у архитектора Шарля де Вайи. Вначале он знакомился с проектами знаменитых зодчих, копируя их. Затем начал проектировать, руководствуясь программой Королевской Академии архитектуры – одного из лучших в Европе высших художественных заведений.
Один из рапортов Старова, относящихся к этому периоду, характеризует его как скромного и требовательного к себе человека, способного критически относиться к собственным произведениям. В 1764 году он сделал по программе академического конкурса проект здания «Коллегии всех наук». Об этой работе он сообщал: «…сии рисунки могут быть лучше моих прежних, однако они гораздо еще слабы против тех, которые посылаются в Рим на три года от здешней Королевской архитектурной Академии».
В сентябре 1766 года пришло долгожданное дозволение ехать в Рим «и пробыть там один год и шесть месяцев во всей Италии». Впоследствии этот срок сократился до года. В Риме Старов не только тщательно осматривал, но по возможности обмерял и подробно описывал древние сооружения.
В журнале большого собрания членов Академии художеств от 1 сентября 1768 года записано: «Возвратившийся из чужих краев посланный от Академии архитектурного художества пенсионер Иван Старов по представленным от него прожектам удостоен назначенным». Это означало, что Старову было предоставлено право выполнить проект на соискание звания академика.
Каждый год жизни архитектора теперь был отмечен какой-либо значительной работой. В 1769 году Старов выполнил свой первый самостоятельный проект – Сухопутный шляхетский корпус. В течение первых двух лет после возвращения на родину он занимал должность архитектора «при строении» этого здания. Чертежи корпуса не сохранились. В 1772 году Старова определили в «Комиссию о каменном строении Санкт-Петербурга и Москвы». В задачи Комиссии кроме вопросов, связанных с работами в столицах, входило и регулирование строительства в других городах. Здесь Старов вплотную соприкоснулся с практикой градостроительства. В течение двух лет с его участием решаются вопросы застройки «погоревших мест» в Москве, Любиме и Порхове и разрабатываются проекты планировки таких древних русских городов, как Псков, Нарва, Великий Устюг, Воронеж.
В начале 1770-х годов Старов строит дворцовые ансамбли в Богородицке и Бобриках под Тулой. Спустя два года после разработки этих проектов, в 1773 году, Старов возводит для С.С. Гагарина великолепный усадебный дом в селе Никольском, теперь примерно в девяноста километрах от Москвы. Эта усадьба своим композиционным строем и удивительной пластичностью форм во многом предопределила облик усадебных построек, созданных Старовым под Петербургом, внеся и в них мягкость и колорит Подмосковья.
Храм и колокольня в Никольском-Гагарино свидетельствуют и о глубоком творческом освоении Старовым мирового архитектурного наследия, и о дальнейшем развитии художественно-композиционных приемов допетровского зодчества.
По поводу колокольни села Никольского И.Э. Грабарь писал, что, «не будь подписных чертежей Старова, нельзя было бы и мысли допустить, чтобы эта строгая эллинская дорика колонн, эта внушительная пустынность мощно разрустованного низа, несущего колоннаду второго яруса, могли родиться в голове русского художника 1770-х годов. Самый храм… тоже смотрит моложе своих лет… но стиль колокольни точно издевается над всеми законами эволюции. Здесь не только предугаданы грядущие пути и намечены вехи, но совершен невероятный, прямо фантастический скачок в будущее столетие и властно воплощена воля ближайшего, не родившегося еще поколения».
В начале и середине 1770-х годов Старов проектирует и строит три оригинальных ансамбля невдалеке от Петербурга – дачу А.Г. Демидова на Петергофской дороге и усадьбы для братьев А.Г. и П.Г. Демидовых – своих шуринов – в Тайцах и Сиворицах.