В Киеве Сеченов много занимался самообразованием, его тянула к себе медицина. В 1850 году, добившись освобождения от службы, он переехал в Москву и поступил на медицинский факультет Московского университета. На медицинском факультете преподавали крупные ученые – профессора К. Ф. Рулье, И. Т. Глебов, Ф. И. Иноземцев. В клинике профессора Иноземцева Сеченов выполнил первую научную работу. Там же он занимался вопросами психологии, чрезвычайно его интересовавшей. Немало способствовала этому дружба Сеченова с врачом С. П. Боткиным.
Вообще московский круг знакомств Сеченова оказался чрезвычайно широк. Он постоянно встречался с Н. Г. Чернышевским, Д. И. Менделеевым, И. И. Мечниковым, К. А. Тимирязевым, В. И. Вернадским, С. П. Боткиным, А. М. Бутлеровым, Ф. М. Достоевским, М. А. Балакиревым, А. П. Бородиным, художником А. А. Ивановым. Одно из знакомств – с врачом П. И. Боковым, вхожим в некоторые радикальные и революционные кружки тех лет, оказалось для Сеченова весьма важным. Подруга Бокова Мария Александровна, дочь генерала Обручева, чтобы получить высшее образование, заключила с Боковым фиктивный брак. Брак этот перешел в фактический, но в скором времени Бокова стала близким другом, а затем и женой Сеченова.
«Я назвал Марию Александровну моей благодетельницей, и не даром, – вспоминал в конце жизни Сеченов. – В дом ее я вошел юношей, плывшим до тех пор инертно по руслу, в которое меня бросила судьба, без ясного сознания, куда она может привести меня. А из ее дома я вышел с готовым жизненным планом, зная куда идти и что делать. Кто, как не она, вывела меня из положения, которое могло сделаться для меня мертвой петлей, указав возможность выхода. Чему, как не ее внушениям, я обязан тем, что пошел в университет, – и именно в тот, который она считала передовым – чтобы учиться медицине и помогать ближнему. Возможно, наконец, что некоторая доля ее влияния сказалась и в моем дальнейшем служении интересам женщин, пробивающихся на самостоятельную дорогу».
Знаменитая работа Сеченова «Рефлексы головного мозга» и не менее знаменитый роман Чернышевского «Что делать?» вышли в один год. Современники достаточно легко угадывали прототипы героев романа. В Лопухове они согласно видели врача Бокова, в Вере Павловне – Марию Александровну, в Кирсанове – Сеченова. Так что, знаменитые сны Веры Павловны, особенно самый первый ее сон, речь в котором идет о том, чтобы идти и помогать всем страждущим и заключенным, были вовсе не романтической выдумкой, а тем общим настроением, которое пронизывало тогдашнее общество.
В 1856 году, окончив Московский университет, Сеченов, использовав часть полученного после смерти матери наследства, выехал в Германию. В Берлине он занимался сравнительной анатомией у И. Мюллера, физиологией у Э. Дюбуа-Реймона и гистологией у Э. Гоппе-Зейлера. В Вене Сеченов работал у знаменитого Карла Людвига. Там он подготовил диссертацию «Материалы для будущей физиологии алкогольного опьянения», которую защитил в 1860 году в Медико-хирургической академии в Петербурге. В процессе работ Сеченов самостоятельно сконструировал прибор, получивший название абсорбциометра. Этот прибор, предназначенный для изучения газов, растворенных в крови, в последующем послужил образцом для других, более совершенных, построенных позже европейскими учеными.
В 1860 году Сеченова избрали профессором петербургской Медико-хирургической академии по кафедре физиологии. Лекции Сеченова всегда были тщательно продуманы. Они привлекали не только студентов, но всех, кто интересовался современной наукой. Один из слушателей Сеченова вспоминал позже: «Он всегда говорил ближайшим ученикам своим: „Работайте, работайте всеми силами! Не теряйте дорогих юных лет ваших на непроизводительный труд и развлечения! Помните, что вы получаете высшее образование – этот цвет мысли – на последние гроши русского обездоленного мужика и что вы являетесь неоплатным должником его. Старайтесь же серьезною подготовкою к предстоящей вашей деятельности быть полезным работником в жизни и выполнить ваш гражданский долг“.
Тогда же кандидатура Сеченова была предложена на вакантное место адъюнкта по физиологии в Академии наук. Однако Сеченов собственноручно снял свою кандидатуру. Позже в «Автобиографических записках» он откровенно писал: «Я не имел никаких оснований думать, что окажусь достойным такой высокой чести, жить же с красными ушами не хотел и потому наотрез отказался».