Năm 1730, ở tuổi mười chín, Lomonosov đi bộ tới Moskva với quyết tâm "nghiên cứu khoa học". Chẳng bao lâu sau khi đến nơi, ông tự đăng ký vào học tại Học viện Latin Hy Lạp Slav bằng cách giả vờ mình là con trai của một nhà quý tộc ở Kholmogory. Năm 1734, việc bịa đặt này cùng với lời nói dối rằng ông là con của một thầy tế suýt khiến ông bị đuổi học, nhưng may mắn cuộc điều tra qua đi mà không gây ra hậu quả nghiêm trọng nào.

Lomonosov tiêu 3 đồng kopeck mỗi ngày, chỉ ăn độc bánh mỳ đen và uống kvass, nhưng bù lại ông học hành rất mau tiến bộ. Người ta cho rằng năm 1735, sau ba năm ở Moskva, ông được gửi tới Kiev để học một thời gian ngắn tại Học viện Kyiv-Mohyla. Ông sớm chán ngán cách dạy học ở đó và quyết định quay trở về Moskva để tiếp tục học tập. Trong vòng năm năm, Lomonosov hoàn thành chương trình khóa học dành cho 12 năm. Đến năm 1736, cùng với 12 sinh viên tốt nghiệp xuất sắc nhất, Lomonosov được trao học bổng học tại Học viện St. Petersburg. Ông lao đầu vào học hành và nhận được học bổng bốn năm tại nước ngoài, đầu tiên là ở Đại học Marburg và sau đó là ở Freiberg, nước Đức.