С десятилетнего возраста мальчик принимал участие в плаваниях отца, занимался нелегким трудом рыбака, наблюдал природу Севера. Особое впечатление на Михаила произвели корабельные верфи и солеварни.
После смерти матери у Ломоносова было две мачехи. О второй из них у Михаила остались самые дурные воспоминания: «Имеючи отца хотя по натуре доброго человека, однако в крайнем невежестве воспитанного, и злую завистливую мачеху, которая всячески старалась произвести гнев в отце моем, представляя, что я всегда сижу по-пустому за книгами, для того многократно я принужден был читать и учиться, чему возможно было, в уединенных и пустых местах и терпеть стужу и голод…» Таким образом, не только стремление к знаниям, но и отношение к нему мачехи, сделавшее жизнь Михаила невыносимой, привели его к решению покинуть родину. Зимой 1730 года юноша отправился в Москву с обозом. Из дома он ушел с разрешения отца, но, по всей видимости, разрешение это было дано лишь на какое-то время, так как позже Ломоносов числился «в бегах».
В январе 1731 года Ломоносов поступил в «Спасские школы» – славянско-греко-латинскую академию, которая была первым в России высшим учебным заведением. Об этом периоде жизни Михаил Васильевич отзывался следующим образом: «Имея алтын в день жалованья, нельзя было иметь на пропитание в день больше, как на денежку хлеба и денежку квасу, остальное на бумагу, на обувь и другие нужды. Таким образом, жил я пять лет и наук не оставил».
Начав обучение в 20 лет, Ломоносов был значительно старше своих товарищей, которые безжалостно насмехались над ним. Правда, пройдя программу первых трех классов за год, он несколько сократил разницу в возрасте. 12-летний курс обучения Ломоносов прошел за пять лет. В конце 1735 года Михаила в числе двенадцати лучших учеников «Спасских школ» вызвали в Петербург в Академию наук. Оттуда трое студентов (Ломоносов, Виноградов и Рейзер) были отправлены в Германию для обучения горному делу – специалистов в этой области в России катастрофически не хватало.
Осенью 1736 года студенты прибыли в немецкий город Марбург, где они в течение трех лет обучались у знаменитого в те времена ученого и философа Христиана Вольфа. Лекции Вольфа сильно повлияли на Ломоносова, они помогли молодому ученому сформировать свое собственное научное мировоззрение. Также Михаилу очень нравилось то, что Вольф при рассмотрении самых разнообразных вопросов использовал математические методы. В дальнейшем в своей научной и преподавательской деятельности Ломоносов сам старался делать упор на математику, использовать по возможности точные математические расчеты. В это время появились первые научные труды молодого ученого. В 1738 году он отправил в Петербург отчет «Образчик знания физики: о превращении твердого тела в жидкое в зависимости от движения предсуществующей жидкости», а в 1739-м – диссертацию «О различии смешанных тел, состоящем в сцеплении корпускул». Тогда же проявился и поэтический талант Ломоносова. Узнав о том, что русские войска взяли штурмом Хотинскую крепость, он написал одно из первых своих стихотворных произведений – оду «На взятие Хотина». В этом же году появилось и «Письмо о правилах российской словесности», положившее начало работ ученого в области филологии.
В 1739–1740 годах Ломоносов обучался металлургии во Фрайбурге у «горного советника» Генкеля. Впрочем, об этом учителе Михаил Васильевич отзывался весьма нелестно: он, по его словам, «всю разумную философию презирал». Скорее всего, такое недовольство было вызвано не только и не столько расхождениями в научных взглядах, а тем, что Генкель слишком усердствовал в предписании «держать студентов построже». Не найдя общего языка с Генкелем, Ломоносов самовольно, без разрешения Академии, оставил Фрайбург и еще примерно год странствовал по Европе, посетив, в частности, Голландию. По некоторым сведениям по дороге в Голландию Ломоносов был насильно завербован в прусскую армию, но сумел бежать. Во время странствий по Европе в 1740 году Михаил женился на Елизавете-Христине Цильх.
В июне 1741 года Ломоносов вернулся в Россию. Примерно полгода он занимался переводами, составлял каталог минералов, выполнял другие случайные работы. Параллельно с этим он работал над диссертацией, в которой описывал изобретенную им солнечную печь – гелиоустановку, при помощи которой можно было получать высокие температуры, недосягаемые иным способом. Некоторое время положение молодого ученого оставалось довольно непрочным: в свои 30 лет он все еще числился студентом. Но к январю 1742 года Михаил добился-таки должности адъюнкта химии в Петербургской академии.
Надо сказать, что обстановка в Академии в то время была неспокойной. Не вдаваясь в подробности, скажем, что на фоне политических перемен назрел конфликт между иностранными и отечественными деятелями науки. И Ломоносов (характер которого, кстати, был очень нелегким) принял в академическом столкновении активное участие. По отношению к ученым-иностранцам он вел себя крайне вызывающе, и не до конца ясно, насколько такое поведение было спровоцировано. Профессора Академии в ответ на грубость Ломоносова исключили его из Академического собрания и подали общую жалобу.
Положение было очень серьезным. Назначили разбирательство, к тому же Ломоносов еще и усугубил ситуацию, отказавшись явиться по требованию следственной комиссии. За это в мае 1743 года он был заключен под арест в здании Академии наук, а затем переведен под домашний арест. Ему грозило битье батогами и ссылка в солдаты. Угрожающим стало и материальное положение ученого: жалованья он не получал. Тем временем из Германии прибыла его жена с дочерью Екатериной-Елизаветой и братом. Несмотря на все злоключения, Ломоносов продолжал разнообразные научные изыскания. В 1743 году он написал диссертацию «О действии химических растворителей на растворяемые вещества», работал еще над несколькими физическими диссертациями, составил «Краткое руководство по риторике», книгу, положившую начало научному изучению русского языка.
От серьезных неприятностей Ломоносова спасла благосклонность императрицы Елизаветы. Часто пишут, что Елизавета была польщена одой, которую он написал по случаю ее коронации в Москве и последующего возвращения в Петербург. Но следует сказать, что императрица вообще довольно мягко отнеслась ко всем «академическим склочникам» и отменила строгие наказания комиссии, созданной по случаю конфликта. Тем не менее, Михаил Васильевич был обязан принести публичные извинения перед Академическим собранием, что он сделал в конце августа 1744 года. Также ему на год вполовину уменьшили жалованье.
В 1744 году Ломоносов закончил новую диссертацию «О нечувствительных физических частицах». В том же году увидели свет его работы «Размышления о причине теплоты и холода», «О вольном перемещении воздуха в рудниках».
В 1745 году Михаил Васильевич подал ходатайство о назначении его профессором химии. 3 мая 1745 года ему было предложено написать и защитить диссертацию по металлургии. Уже в июне Ломоносов закончил работу «О светлости металлов». Эта, а также более ранние работы Ломоносова были отправлены для рецензии Леонарду Эйлеру, который прислал следующий ответ: «Все сии сочинения не только хороши, но превосходны, ибо он изъясняет физические и химические материи с таким основательством, что я совершенно уверен в справедливости его изъяснений». Через месяц Михаил Ломоносов был утвержден в должности профессора.
Примерно в это время ученый начал активно заниматься просветительской деятельностью. Он добился разрешения читать публичные лекции на русском языке, хлопотал о наборе студентов из семинарий, занимался тиражированием переводных книг, составлял проекты усовершенствования работы Академии наук.
Все эти хлопоты отнюдь не мешали Ломоносову заниматься наукой. В 1747 году ученый закончил диссертацию «Рассуждение о действии химических растворителей вообще». Работу эту он представил для опубликования в первом томе «Новых комментариев Петербургской академии наук». Тем не менее, в «Новые комментарии» диссертации Ломоносова вошли только в 1750 году, правда, вместе с еще двумя более новыми работами: «Опыт теории упругой силы воздуха» и «О вольном движении воздуха, в руднике примеченном».