В самый день приезда Ковалевская вошла в кружок Боковых-Сеченовых и их друзей. На квартире Софа нашла записку от Боковой с приглашением к обеду.
Здесь были Марья Александровна, Сеченов, Боков и товарищ последнего, Н. А. Белоголовый, молодой талантливый врач из сибирских богатых купцов. При содействии всех этих влиятельных лиц, а также дяди П. В. Корвин-Круковского, Софья Васильевна стала посещать лекции и практические занятия в медико-хирургической академии. Пришлось прибегать к хитростям и уловкам, чтобы иметь возможность учиться, проникать в аудитории.
В поисках средств ускорить освобождение сестры. Софья Васильевна и ее муж решили предложить Сеченовым, чтобы Иван Михайлович, который официально числился неженатым, заключил фиктивный брак с Аннон Васильевной. Намекнули об этом Марье Александровне, но та отнеслась к такому предложению весьма сдержанно. Такое расхождение между словом и делом возмутило Софу и, как она ни любила Марью Александровну, у нее часто вырывались резкие эпитеты по адресу Сеченовой. Доставалось попутно и ее мужу. Софья Васильевна не могла понять, как это Сеченовы отказываются помочь «своим» людям. Теперь она видит, что «в них и в нас есть, какие-то два совсем различные начала, и мы совершенно никогда не сойдемся с ними, хотя они и мы хорошие люди».
Учебные занятия шли не так, как хотелось Софье Васильевне. Лекции в медико-хирургической академии она стала посещать на другой день по приезде в Петербург. Первым из столичных профессоров приобщил ее к науке Сеченов. Еще накануне Ковалевская радостно писала сестре, что «Сеченовские лекции начинаются завтра; завтра в 9 часов утра начинается моя настоящая жизнь». С трепетом и волнением ждала Софья Васильевна этой важной для нее минуты, ей хотелось бы обставить торжественно свое вступление в храм науки. Вместо того пришлось пойти в академию под конвоем целого ряда мужчин, чтобы проскользнуть в аудиторию незаметно, укрыться от начальства и любопытных студенческих взглядов.
Ковалевская вошла в старое здание на Выборгской стороне, где некогда работал и преподавал великий Пирогов, под прикрытием своего фиктивного мужа, дяди Петра Васильевича, П. И. Бокова и других знакомых. На первый раз все обошлось благополучно: начальство не заметило Софью Васильевну, а студенты «не пялили глаз» на нее; ближайшие соседи проявили товарищескую предупредительность и нарочно смотрели в сторону, чтобы отвлечь внимание какого-либо сберегателя ветхозаветных устоев, который мог бы случайно зайти в аудиторию. Софья Васильевна слушала лекции очень внимательно, старалась не проронить ни слова, записывала все.
Лекции Сеченова привлекали в аудиторию очень много слушателей. Наряду со студентами разных курсов их посещали офицеры, врачи, представители разных слоев общества. Аудитория была переполнена. Не хватало мест на скамьях, приходилось записывать стоя. При этом надо было все время прятаться от инспекторов, нельзя было продвинуться ближе к кафедре, чтобы присмотреться к любопытным опытам профессора. В таких неудобных условиях можно было слушать и работать еще у двух-трех особо благожелательных профессоров, можно было, наконец, заниматься анатомией практически дома, благодаря П. И. Бокову, который принес скелет. Это были занятия случайные, не систематические, в плохой обстановке, под гнетом мысли, что «начальство, кажется, заметило» и «что будет завтра?» Всплыл было проект переодеть Софу в мужской костюм. Поделившись мыслью об этом с сестрой, Ковалевская получила из Палибина такое негодующее письмо, что вынуждена была оправдываться перед Анной Васильевной: придумала она этот проект шутя, сама вполне сознает его нелепость и никогда не решится осуществить его.
Все занятия по обширному кругу медицины пришлось ограничить тремя предметами: физиологией, анатомией, зоологией. С физикой дело обстояло хуже. Профессор Ф. Ф. Петрушевский, крупный ученый в своей области, был большим трусом в смысле общественном. О допущении женщин в свою аудиторию и рабочий кабинет он и слышать не хотел, ссылаясь на «законы». Не хотел даже посоветовать, как обойти это препятствие, отказывался порекомендовать частного преподавателя. К другим профессорам и не пытались обращаться.
Только с математикой устроилось сравнительно благополучно. Еще в свои зимние приезды с матерью из Палибина Софья Васильевна пользовалась частными уроками известного в Петербурге преподавателя А. Н. Страннолюбского. Он и теперь согласился давать Софе частные уроки. Александр Николаевич Страннолюбский (1839–1903) пользовался большой популярностью в петербургских кружках радикальной молодежи 60—70-х годов. Он много работал в области развития женского образования, преподавал на Аларчинских женских курсах, представлявших собой зародыш женского университета; был сторонником преподавания без принуждения и наград; ввел в школе обучение ремеслам, экскурсии на заводы и фабрики для ознакомления учащихся с производством. Одновременно с Ковалевской учились у Страннолюбского известные революционерки А. П. Прибылева-Корба, А. И. Корнилова-Мороз и другие. Все они свидетельствуют, что Страннолюбский сделал очень много для поднятия уровня знаний у женщин преподавая математику, он старался развивать в своих ученицах логическое мышление. Он говорил им: будьте всегда логичны и вы будете непобедимы». Рассказывая об обширном уме Страннолюбского, одна из этих революционерок сообщает также, что он ненавидел монархический строй и, в особенности, царствовавшего тогда деспота, Александра II.
Страннолюбский занимался с Ковалевской очень охотно, урок продолжался иногда по четыре-пять часов подряд. Эти занятия окончательно выявили математические способности Софьи Васильевны.
Отказавшись от мысли стать врачом и лечить сосланных на каторгу женщин, Ковалевская решила уехать за границу для получения систематического образования в избранной ею области. Осуществить это было не легко и при фиктивном браке. Препятствия возникали со всех сторон.
Пока Ковалевские собирались за границу, они помогали другим помещичьим дочерям уйти из родительского дома. Две из них занимают видное место в биографии Софьи Васильевны: А. М. Евреинова и Ю. В. Лермонтова. Первая, типичная шестидесятница, нигилистка салонного типа, принимала впоследствии участие в общественно-литературных делах 80—90-х годов. Вторая навсегда сохранила непоколебимую преданность Ковалевской, была ей верным другом в самые тяжелые моменты ее жизни.
Анна Михайловна Евреинова (1848–1919), дочь генерала, заведующего городом дворцового ведомства Петергофом — первая русская женщина, получившая ученую степень доктора прав. С молодых лет ей, по собственным ее словам, «стали невыносимы балы, выезды и наряды»; она не захотела быть «дамой гостиных», «попала в кружок передовых людей», стала читать книги по естествознанию и праву, «увлеклась Бентамом». Подготовившись путем разных ухищрений к вступительному университетскому экзамену, она тщетно просила отца отпустить ее за границу учиться. Генерал сказал, что «лучше увидит дочь в гробу, чем в университете». Когда Ковалевская была уже в Гейдельберге, Евреинова решилась бежать из России. 10 ноября 1869 года она перешла границу «дорогою контрабандистов, — как рассказывала сама, — не без риска для жизни».
Уход Евреиновой из дому, не в пример таким случаям со многими другими девушками из помещичьей среды, вызвал много толков в столичном обществе. Он сопровождался обстоятельствами, невероятными с точки зрения нынешних студенток, но довольно обычными и условиях царского строя. Дело в том, что красивая дочь петергофского коменданта понравилась брату императора, великому князю Николаю Николаевичу, а ее отец, по установившемуся при царском дворе обычаю, поощрял домогательства великого князя и готов был продать ему свою дочь в интересах своей карьеры. Выведенная из терпения, преследуемая с двух сторон, Жанна хотела утопиться, но, как передают мемуаристы, по совету «жены Ковалевского, издателя многих хороших книг, учащейся чему-то в Гейдельберге, которой она писала о своем безвыходном положении», решила уехать за границу. Помогли ей в этом друзья В. О. Ковалевского из радикальных кружков.