Năm 1869, Kovalevskaya nhập học trường Đại học Heidelberg, Đức, nơi cho phép bà được dự thính các lớp miễn là được sự cho phép của giáo sư dạy lớp đó.

Một thời gian ngắn sau đó, bà đến Luân Đôn cùng với Vladimir, do Vladimir có công việc hợp tác cùng Thomas Henry Huxley và Charles Darwin, còn bà thì được mời tham gia vào những cuộc mạn đàm ngày Chủ nhật của George Eliot[3]. Tại đó, vào tuổi 19, bà gặp Herbert Spencer và được Eliot dẫn dắt vào một cuộc tranh luận về "khả năng tư duy trừu tượng của phụ nữ".

Sau hai năm học toán tại Heidelberg cùng với các thầy giáo như Helmholtz, Gustav Robert Kirchhoff và Robert Bunsen, bà chuyển đến Berlin, và đi học riêng với Karl Weierstrass, vì trường đại học ở đây không cho phép bà đi học cả dự thính.Vào năm 1874 bà trình ba bài báo—về phương trình vi phân bán phần, về sự chuyển động của vành sao thổ và tích phân ê-líp—cho Đại học Göttingen xem như là luận văn tiến sĩ của mình. Với sự ủng hộ của Weierstrass, bà tốt nghiệp tiến sĩ toán học với loại xuất sắc, bỏ qua các môn học và những kỳ thi bắt buộc[3].Từ đó bà trở thành người nữ đầu tiên ở châu Âu có được học vị này. Bài báo của bà về phương trình vi phân bán phần có mô tả một định lý mà ngày nay được biết đến với tên Định lý Cauchy-Kovalevski, nêu ra những điều kiện đẻ xác định sự tồn tại lời giải cho một nhóm phương trình đó.