В такой семье родители давали детям хорошее домашнее образование, и те разносторонне развивались. Уже в четырехлетием возрасте Виктор мог самостоятельно читать по-русски и по-французски. Его неподдельно интересовали история, литература, искусство, рано заинтересовался мальчик и математикой. У младшей сестры его Веры проявился талант к рисованию, впоследствии она стала художницей и вышла замуж за художника и теоретика искусства Петра Васильевича Митурича.
Служба отца вынуждала семью часто менять места жительства, Виктору довелось поучиться на Волыни, в гимназиях Симбирска и Казани. Уже в бытность гимназистом, когда ему приходилось подолгу жить в отрыве от родных, в съемных комнатах частных квартир, его стало тяготить то, что обозначается емким словом «быт». И однажды он избавился от всех, по его мнению, лишних вещей в комнате, оставил только кровать со столом, а окно занавесил рогожей. Такая спартанская обстановка в дальнейшем окружала его всегда, где бы он ни жил.
В 1903 году с геологической экспедицией Виктор отправился в Дагестан, по возвращении он поступил в Казанский университет, выбрав физико-математический факультет, математическое отделение.
Естественное увлечение сына лесовода и орнитолога естественными науками и зоологией нашло отражение в первых публикациях Виктора Хлебникова, статьях «Опыт построения одного естественно-научного понятия» (речь в ней шла про «симбиоз»), напечатанной в «Вестнике студенческой жизни», и «О нахождении кукушки, близкой к Cuculus Intermedius Vahl., в Казанском у<езде> Каз<анской> губ<ернии>», опубликованной в «Приложении к протоколам заседания Общества Естественных Наук».
В 1904 году Виктор стал участником демонстрации студентов. Когда Владимир Алексеевич узнал про это, он пошел на площадь и попытался уговорить сына уйти, но услышал отказ. Тем временем прибывшая с целью разгона студентов конная полиция погнала лошадей прямиком на толпу. Демонстранты бросились врассыпную, Хлебников же не двинулся ни на шаг и каким-то чудом избежал гибели под копытами лошадей, которые остановились в считаных шагах от него. Виктора подвергли аресту. На вопрос «Почему не убежал?» он сказал: «Должен же был кто-то ответить». За время короткого пребывания в тюрьме — заключение продлилось месяц или полтора — он внутренне совершенно переменился. Тюремную камеру покинул абсолютно другой Виктор Хлебников.
Он очень болезненно воспринял сопровождавшиеся множеством бессмысленных смертей поражения на суше и на море русских войск в ходе Русско-японской войны. И в День Святой Троицы 1905 года Виктор Хлебников на березовой коре записал обещание найти оправдание жертвам:
Вероятно, в это время им и были начаты поиски «законов времени», с помощью которых было бы возможно делать предсказания будущего. Хлебниковым двигало желание познания своей страны и всего мира посредством научного анализа. Он поставил перед собой дерзкую цель, а именно объединение в этих поисках лингвистики (он считал, что язык — это первооснова), математики, истории и поэзии. Изучение первоначал языков, поиски праязыка позволили Хлебникову создать новый язык — язык будущего, привели его к новаторскому словотворчеству.
В необычайно расширившийся круг своих интересов студент Хлебников, которого восстановили в университете, помимо математики и физики, включил кристаллографию, биологию, физическую химию, он увлекся философией, изучал историю, санскрит и японский язык, активно пробовал свои силы в литературе, в живописи и музыке. На короткий период времени он вовлекся в какой-то революционный кружок, вероятнее всего, в эсеровский. Кружковцы готовились к террористическому акту, в ходе осуществления которого Хлебников должен был выполнять роль караульного. По неизвестным нам причинам затея не воплотилась, и с тех пор ни в какой деятельности с политической подоплекой Хлебников не принимал участия. Благо ему было чем заниматься с полным приложением сил.