Этот случай окончательно убедил Василия Васильевича в уникальных способностях дочери, и, следуя настойчивому совету Тырнова дать ей возможность заниматься высшей математикой, он обратился к широко известному в кругах петербургской интеллигенции замечательному педагогу Александру Николаевичу Страннолюбскому. В одном из посланий к сестре Соня пишет: «Страннолюбский просидел у нас весь вечер. Он вовсе не озлился, когда я сказала ему, что собираюсь, кроме математики, заниматься еще физиологией, анатомией, физикой и химией; напротив, он сам согласился, что одна математика слишком мертва, и советовал не посвящать себя исключительно науке и заняться даже практической деятельностью».
К 18 годам Софья превратилась в очаровательную девушку, робкую и застенчивую при незнакомых людях, но стоило ей заговорить, как она сразу оказывалась в центре внимания. Ее круглое лицо с прелестной ямочкой на подбородке матово светилось, живые глаза вопрошающе смотрели на мир, движения были порывисты, речь быстрая, слова перегоняли друг друга. Ее стремление к науке было велико, хотя Соня и не решила еще, будет ли это увлекшая ее математика или нужная народу медицина (в ее характере всегда было стремление приносить общественную пользу). В любом случае стояла необходимость продолжать учебу, но высшее образование для женщин возможно было получить только за границей. И то – далеко не везде и только замужним. Замуж так замуж – трудности Сонечку никогда не страшили. В то время среди «передовых» барышень был широко распространен фиктивный брак как средство избавиться от родительской опеки, и 15 сентября 1868 г. в деревенской церкви близ Полибино состоялась свадьба.
Владимир Онуфриевич Ковалевский, занимавшийся в то время издательской деятельностью, был родом из мелкопоместных дворян. Он получил хорошее образование, отличался прогрессивными взглядами, а вот предпринимательской хватки у него не было: он заимел большие долги; нераспроданные книги его издательства лежали мертвым грузом. Молодая жена вызывала у Владимира Онуфриевича искреннее восхищение: «Я думаю, что эта встреча сделает из меня порядочного человека, что я брошу издательство и стану заниматься, хотя не могу скрывать от себя, что эта натура в тысячу раз лучше, умнее и талантливее меня. О прилежании я уже и не говорю, как говорят, сидит в деревне по 12 часов, не разгибая спины, и, насколько я видел здесь, способна работать так, как я и понятия не имею», – писал он брату. Испытывая обоюдную симпатию, супруги тем не менее долгое время держались обособленно. Она – ввиду врожденной скромности и приобретенной неуверенности в возможности быть любимой. Он – не желая мешать ее устремлениям и навязываться в фактические мужья. Почти 10 лет они «деликатничали», заставляя страдать друг друга, однако нельзя не признать, что такие отношения в немалой степени взаимно стимулировали научную и общественную деятельность Ковалевских.
Вскоре после свадьбы молодожены стали посещать в Петербурге лекции по естествознанию профессора И. М. Сеченова. Но физиология Софью не заинтересовала, зато Владимир Онуфриевич очень увлекся палеонтологией и в дальнейшем добился в этой области значительных успехов, стал автором известных научных трудов. Весной 1869 г. Ковалевские уехали за границу, Софья Васильевна для изучения математики, а ее муж – геологии.