Окончив гимназию, осенью 1849 года Леонтьев поступил в ярославский Демидовский лицей — высшее учебное заведение, готовившее гражданских чиновников, прежде всего юристов. Но провел в нем Леонтьев лишь два месяца: предметы давались ему слишком легко и не возбуждали любопытства. Константину стало скучно, он растерялся: что же делать? На семейном совете Феодосия Петровна постановила: учебу прервать, вернуться в Кудиново и поступать в университет. Так в конце октября Леонтьев вновь оказался в Кудинове, откуда и послал свои документы в Московский университет на медицинский факультет. Врачебную карьеру он избрал тоже по совету матери: та считала, что такая профессия сможет обеспечить сыну безбедное существование. На время его обучения Феодосия Петровна положила высылать ему по десять рублей серебром в месяц, жить же в Москве он должен был у богатых родственников — в доме Охотниковых.
О молодость! Молодость!.. Может быть, вся тайна твоей прелести состоит не в возможности все сделать, а в возможности думать, что все сделаешь.
Иван Тургенев
В Москву Леонтьев приехал, когда занятия уже начались, и ему пришлось догонять других студентов. Сначала он снимал комнату на Остоженке, а потом поселился в доме Н. В. Охотниковой и ее дочери-вдовы А. П. Карабановой. На правах члена семьи при Анне Петровне жила компаньонка-немка Софья Карловна Грамберг — женщина чрезвычайно образованная и умная, к которой Константин искренне привязался. Трехэтажный дом, возведенный еще в XVIII веке и отстроенный заново после пожара 1812 года, стоял на Пречистенке — одной из наиболее аристократических улиц Москвы. Поблизости располагались усадьбы князей Лопухиных, княгини Салтыковой-Головкиной, богатые дома князей Долгоруких, генерала Ермолова. Недаром с легкой руки князя П. А. Кропоткина, родившегося неподалеку, Пречистенку окрестили «московским Сен-Жерменом». Константину выделили целые три просторные комнаты с большими окнами, выходящими на улицу. Комнаты находились в нижнем этаже, и у молодого человека был даже свой особый вход с крылечком.
Императорский Московский университет в то время имел четыре факультета — историко-филологический, физико-математический, юридический и медицинский. Число студентов было ограничено, их поступки и даже внешний вид строго регламентировались. Например, все студенты должны были носить треугольную шляпу; появившись на улице без оной, можно было угодить в карцер. Занятия начинались в девять утра, заканчивались около четырех, но студентам-медикам (которых каждый год принимали около восьмидесяти человек) редко приходилось просиживать весь день на Моховой, где располагался университет. С каждым семестром все больше времени они проводили в анатомическом театре, университетских госпитальных клиниках (получивших название Клинического института) или Новоекатерининской больнице.