У студента Вавилова было большое желание стать членом этого замечательного коллектива. Сергей упорно работал в физическом практикуме, досрочно выполнил все положенное, успешно сдал Лебедеву экзамен по общей физике и обратился к нему с просьбой допустить его к работе в лаборатории. Петр Николаевич просьбу удовлетворил. Так Вавилов, будучи студентом второго курса, сделался участником беспримерных научных исследований.
В это время здоровье Петра Николаевича сильно пошатнулось. Он страдал быстропрогрессирующей грудной жабой и почти не выходил из здания института, где помещалась и его квартира. Часть своих дел он передал приват-доценту Лазареву. Петр Петрович стал научным руководителем Вавилова.
В лебедевской школе существовали свои традиции. Петр Николаевич поощрял самостоятельность и инициативу учеников. Каждый из них имел ключ от лаборатории, мастерской и библиотеки и мог работать там в любое время. Между членами коллектива поддерживался постоянный контакт. Все они были в курсе исследований друг друга и имели возможность высказывать собственные соображения. Петр Николаевич считал, что каждый эксперимент должен быть продуман во всех деталях. Сотрудникам лаборатории вменялось в обязанность хорошо знать литературу, отводить время на интерпретацию полученных результатов. Лебедев внушал ученикам, что даже из самого совершенного прибора не может родиться новая физическая идея — все зависит от людей.
Высокую требовательность проявлял Петр Николаевич и к оформлению работ, предназначавшихся для печати. Он заставлял переделывать написанное по пять-шесть раз, добиваясь лаконичности и максимальной ясности изложения. Лебедев был противником частых публикаций. Несмотря на напряженнейшую работу, он оставил после себя всего двадцать две подписные статьи. Это объясняется не только огромными экспериментальными трудностями, которые приходилось преодолевать, но и чрезвычайно высокой тщательностью оформления полученных результатов.
Учитель требовал, чтобы экспериментальная часть работы выполнялась учеником совершенно самостоятельно. Поэтому предварительно каждый из них в течение одного-двух месяцев проходил практику в университетской мастерской под руководством мастера П. И. Громова. Ученики работали слесарями, токарями, столярами, механиками, стеклодувами, каждый должен был самостоятельно изготовить какой-либо нужный лаборатории прибор. «Громовский университет» давал необходимые технические навыки.
С 1901 года под руководством Лебедева в небольшой комнате Столетовской библиотеки на втором этаже Физического института еженедельно собирался первый научный коллоквиум в России. Здесь царили самые демократические порядки. Во время сообщения любой из слушателей мог прервать докладчика, попросив дополнительных разъяснений. На заседании были равны и маститый ученый, и студент. Петр Николаевич требовал от учеников: ничего не принимать на веру, отучиться преклоняться перед авторитетами. Обсуждения проходили настолько увлекательно, что коллоквиум начали посещать профессора других факультетов. Здесь бывали К. А. Тимирязев, Н. Н. Лузин, С. Н. Блажко и Г. В. Вульф. Впоследствии на основе лебедевского коллоквиума было создано Московское физическое общество.
Читать лекции Лебедев не любил, а когда приходилось это делать, старался использовать в лекции высшую математику как можно реже. Он всегда сопровождал свой рассказ демонстрациями, к которым тщательно готовился. Большое значение имел специальный курс «Новое в физике», который Лебедев читал в Малой физической аудитории института студентам старших курсов. Лекции этого курса представляли собой критический обзор новейших иностранных физических журналов. Петр Николаевич поражал слушателей блестящим знанием истории каждого вопроса.
1910 год ознаменовался подъемом революционного движения студентов. Напуганное студенческими волнениями царское правительство «для наведения порядка» стало направлять в университет наряды полиции, грубо нарушая его автономию. Министр народного просвещения Лев Аристидович Кассо в январе 1911 года выпустил циркуляр, по которому ректор университета был обязан вызывать полицию в случае возобновления «беспорядков».
Чувствуя полное бессилие изменить обстановку, ректор Александр Аполлонович Мануйлов, помощник ректора Михаил Александрович Мензбир и проректор П. А. Минаков заявили совету университета о намерении уйти в отставку. 28 января 1911 года советом была принята резолюция, в которой отмечалось, что положение, созданное циркуляром Кассо, «делает невозможным для выборной университетской администрации выполнение возложенных на нее обязанностей». Кассо уволил А. А. Мануйлова, М. А. Мензбира и П. А. Минакова.