В ту пору Мельгунов пережил, по его признанию, «религиозный перелом». Его мать не отличалась набожностью, но свято верила в особую благодать протоиерея Валентина Амфитеатрова, отца писателя А.В. Амфитеатрова. Священник, служивший в Кремле, в маленькой церкви Нечаянной Радости, почитался на Москве пророком и чудотворцем. Мать заставляла Сергея исповедоваться именно у него.
Как-то, придя к духовнику, гимназист шестого класса Мельгунов отстоял многочасовую очередь, был утомлен и раздражен. Настал его черед идти в исповедальню, но тут прибежал дьячок и объявил: «Алексеева!» Это была жена или мать городского головы Н.А. Алексеева, которую тотчас провели без очереди. Когда же Сергей вошел наконец к священнику, его губы дрожали от обиды. Амфитеатрову показалось, что юнец смеется.
Протоиерей гневно обрушился на него: «Вы, молодой человек, приходите на исповедь и смеетесь! Это показывает вашу недалекость. У меня сейчас был ваш начальник Зверев и валялся в ногах, а вы себя так вызывающе держите!» Мелыунов вспылил, и духовник выгнал его, отворив дверь и громко крикнув: «Идите!» Сергей шел через всю церковь, сопровождаемый неодобрительными взглядами толпы: чем же согрешил гимназист, что батюшка прогнал его?
Так Мельгунов навсегда стал нерелигиозным человеком. Всю жизнь он весьма прохладно относился к господствующей Синодальной церкви и писал о ней: «Церковь сделалась одной из отраслей бюрократического управления, одним из многочисленных департаментов сложного государственного механизма. Она впитала в себя идеи старого режима и сделалась консервативной силой, охраняющей своим духовным авторитетом одряхлевшие устои общественной жизни. Она являлась врагом свободы и защитницей бесправия».
А к старообрядчеству Сергей Петрович испытывал не только ученый интерес, но и глубокое уважение: «Во всем подчиняясь гражданской власти, неся повинности государственные, отдавая себя на служение благу родины, не щадя жизни своей, старообрядцы, однако, свою совесть и душу ревниво оберегали и хранили от посягательства на них гражданских и чуждых им духовных властей. “Кесарево — кесарю, а Божие — Богови”. Вот тот евангельский фундамент, на котором построены отношения старообрядчества к государственной власти».
В 1899 г. Мельгунов поступил на историко-филологический факультет Московского университета и был благожелательно встречен ведущими профессорами В.И. Герье и В.О. Ключевским. Он активно участвовал в деятельности студенческих научных кружков. В 1902 г. Мелыунов выступил в Центральном студенческом обществе с чтением реферата «О значении раскола и сектантства в русской жизни», легшим в основу его будущей кандидатской работы.
Впоследствии он вспоминал: «В своем университетском сочинении в большом предисловии я пытался обосновать значение этого явления в России и связать русское современное сектантство с теми общественно-религиозными течениями, которые были в прошлом… Разве консервативный Аввакум не делался для своего времени крайним революционером в области политической? Посему расколоучителей и казнили за государственные преступления — за хулы на имя государево и на царский дом». В 1904 г. Сергей Петрович закончил университет с дипломом 2-й степени.
Еще студентом-первокурсником он начал сотрудничать с либеральной газетой «Русские ведомости», и это сотрудничество продолжалось до 1916 г. В редакции он был единственным специалистом по религиозной тематике, поэтому его собственная точка зрения становилась точкой зрения газеты.
Мельгунов основал кооперативное издательство «Задруга», затем — журнал «Голос минувшего», выходивший до 1923 г. Он печатал историко-публицистические материалы в газете «Русские ведомости», журналах «Русское богатство», «Вестник Европы», «Русская мысль» и др.
Многие из его книг были посвящены религиозным проблемам, старообрядчеству и сектантству: «Москва и старая вера», «Из истории религиозно-общественных движений в России XIX в.», «Церковь и государство в России», «Старообрядцы и вопросы совести».
В 1906 г. Мельгунов вступил в Партию конституционных демократов, но вскоре перешел на позиции Народно-социалистической партии. Убежденный демократ и противник полицейского государства, Сергей Петрович смело критиковал ту несовершенную свободу, которая была дарована России после революции 1905 г.
Он выступал за равноправие всех религиозных объединений и против того привилегированного положения, в котором находилась Синодальная церковь: «Ныне господствующая Церковь должна быть немедленно освобождена от прежней государственной опеки. Она должна быть Церковью автономной, самоопределяющейся и самоуправляющейся. Наряду с уничтожением государственной опеки уничтожаются и монополии господствующей Церкви — монополии пропаганды и уголовной охраны. Организованная на таких началах, господствующая Церковь в правовом государстве не будет воплощать в себе идеи насилия над религиозною совестью, как это было за все истекшее время. По отношению ко всем вероисповедания?! будет признана идея равноправия, и истина будет торжествовать внутреннею своею силою».