В ноябре М.В. Ломоносов подал прошение и в декабре 1735 г. в числе 12 лучших учеников отправился в столицу. Здесь с января 1736 г. занимался немецким языком, математикой и физикой. В сентябре того же года вместе со студентами Дмитрием Ивановичем Виноградовым и Густавом Ульрихом Райзером был отправлен на учёбу в Германию. В 1736–1739 гг. М.В. Ломоносов учился в Марбургском университете под руководством Христиана Вольфа, чья философия повлияла на формирование его мировоззрения. В этот период отправил в Санкт-Петербургскую Академию Наук два сочинения по физике на латинском языке, в конце 1739 г. – «Письмо о правилах российского стихотворства» (опубликовано в 1778 г.) с изложением принципов силлабо-тонического стихосложения, а также написанную четырёхстопным ямбом «Оду… на взятие Хотина» (опубликовано в 1751 г. в новой редакции, исходный текст не сохранился), таким образом решительно продвинув реформу русского стихосложения, начатую Василием Кирилловичем Тредиаковским (1703–1769 гг.). Летом 1739 г. переехал во Фрайберг (Саксония), где обучался химии, металлургии и минералогии у профессора Иоганна Фридриха Генкеля (1678–1744 гг.). В мае 1740 г. после острого конфликта самовольно ушёл от него. 6 июня (нового стиля) того же года в церкви реформатской общины Марбурга зарегистрировал брак с дочерью своей бывшей квартирной хозяйки Елизаветой Христиной Цильх (1720–1766 гг.; в Россию приехала в 1743 г. с четырёхлетней дочерью и братом, получила имя Елизавета Андреевна; из трёх детей М.В. Ломоносова выжила только дочь Елена (1749–1772 гг.), в замужестве Константинова). Во второй половине 1740 г. М.В. Ломоносов посетил Голландию и ряд городов Германии, в июне 1741 г. вернулся в Санкт-Петербург. Вся последующая жизнь М.В. Ломоносова связана с Академией Наук. С января 1742 г. – адъюнкт физического класса. 25 июля 1745 г. получил звание профессора химии (одновременно с В.К. Тредиаковским, профессором элоквенции; они стали первыми русскими академиками Академии Наук). В октябре 1748 г. после продолжительных хлопот М.В. Ломоносова при Академии Наук была открыта первая в России химическая лаборатория. В начале 1750 г. М.В. Ломоносов познакомился и сблизился с фаворитом императрицы Елизаветы Петровны Иваном Ивановичем Шуваловым (1727–1797 гг.), получив в его лице влиятельного покровителя, который мог способствовать практической реализации его идей. Наряду с императрицей и И.И. Шуваловым М.В. Ломоносов по праву считается основателем Московского университета (1755 г.). С февраля 1757 г. – член («советник») Академической канцелярии, высшего административного органа Академии Наук, чью деятельность М.В. Ломоносов оценивал негативно, постоянно конфликтуя с членами канцелярии с начале 1740 гг. (см. его «Краткую историю о поведении Академической канцелярии в рассуждении учёных людей…», 1764 г., опубликовано в 1865 г.). С марта 1758 г. возглавлял Географический департамент Академии Наук, в котором организовал составление «Атласа Российского»; с января 1760 г. – Академический университет и гимназию. Выступал с предложениями о создании Санкт-Петербургского университета, но не имел успеха.