Тем не менее, при всей необычайной самоотверженности старшего брата, Илья никогда не получил бы высшего образования, не имей он поддержки со стороны Попечительского совета. После гимназии он горел желанием поступить в Казанский университет, чтобы изучать математику и физику; курс этих наук читал профессор Николай Лобачевский, создатель неевклидовой геометрии. Но возникло препятствие: в 1848 году прием в университет, где должно было обучаться всего пятьсот сорок студентов, был ограничен и к тому же конкурс на получение стипендии от Его Императорского Величества сильно ужесточен. Однако Илья имел прекрасный аттестат, и тогда директор гимназии написал ректору Казанского университета длинное письмо, в котором настоятельно просил зачислить юного Илью Ульянова в число студентов. «Без стипендии, — писал он, — этот поразительно одаренный мальчик не сможет закончить образования, так как он сирота и совершенно не имеет на это средств».
С 1850 по 1854 год Илья учился на факультете естественных наук Казанского университета. Он носил голубую форму с блестящими золотыми пуговицами, фуражку с кокардой и коротенькую шпагу на левом боку. В университете были установлены жесткие, суровые правила, которым студенты должны были подчиняться. Их тяготу ощутил на себе молодой граф Лев Толстой, поступивший в то же учебное заведение несколькими годами раньше, чтобы изучать юриспруденцию. Невзлюбив царившие порядки, он вскоре покинул университет. Илья Ульянов, будучи стипендиатом Его Императорского Величества, должен был неукоснительно подчиняться дисциплине как никто другой. Это делало его мишенью для насмешек со стороны студентов из состоятельных семей. К тому же он не любил играть в карты, не волочился за девушками и не сорил деньгами, ибо у него их просто не было. Он жил как монах, покорно соблюдая нелепые предписания, словно только для того и был рожден, чтобы вечно повиноваться. Его ничуть не интересовала студенческая жизнь, заманчивая и интересная вне стен университета. Все его помыслы были сосредоточены на занятиях и получении ученой степени, — ведь это открыло бы ему дорогу к педагогической деятельности.
В те времена университетские порядки мало чем отличались от казарменных. Ректором университета обычно был кто-нибудь из известных ученых. Но над ним стоял куратор, назначенный самим царем. В его обязанности входило смотреть за тем, чтобы процесс обучения шел по-военному организованно и четко, чтобы все ходили навытяжку, как на параде, и постоянно демонстрировали свою лояльность. За нарушения наказывали нещадно. Горе было студенту, не удостоившему проходившего мимо генерала приветствием сообразно его чину. А приветствовать генерала надо было таким манером: прежде всего следовало откинуть мантию с левого плеча, обнажив эфес шпаги; затем вытянуть левую руку вдоль туловища по линии бокового шва брючины и, наконец, дотронуться двумя пальцами правой руки до фуражки. Эти театральные штучки ничуть не раздражали Илью Ульянова. Он всей душой был предан царю и выполнял требуемые ритуальные действия с предельной точностью. За все время обучения в университете он не имел ни одной плохой оценки и по окончании был удостоен самых высших похвал. 7 мая 1855 года он получил свое первое назначение — преподавателя математики в дворянском институте в городе Пензе, что находился приблизительно в пятистах верстах от Казани. Кроме того, по рекомендации профессора Лобачевского он выполнял обязанности руководителя метеорологической станции. Кто знает, может, он так и закончил бы свою жизнь скромным учителем математики в провинциальном городе, если бы не его дружба с семьей Веретенниковых. Они-то и посоветовали ему жениться. Иван Дмитриевич Веретенников был инспектором института, в котором учительствовал Илья Ульянов. Его жена Анна была в высшей степени культурной женщиной, читала с одинаковой легкостью книги на немецком и французском языках. У нее была сестра Мария, еще незамужняя. Их познакомили, и Илья Ульянов, которому в ту пору было тридцать два года, женился на Марии Бланк. Большую часть своей молодой жизни невеста провела в имении отца недалеко от Казани.