По окончании Кадетского корпуса Ухтомский поступил на словесное отделение Московской духовной академии, где его еще больше заинтересовала неотделимая от религиозного сознания русская идеалистическая философия, признанным выразителем которой в России был тогда Владимир Соловьев.
Обращение к науке, к философии и вместе с тем – к Богу показательно для Ухтомского. Порог Духовной академии он переступил «уже вкусивший прелести мысли», полагая: «Раз начав думать, человек уже не должен „обращаться вспять“; он должен искать спасения в мысли же». Об этом, обозначая свои жизненные цели, писал и в дневнике в 1897 году: «…мое истинное место – монастырь. Но я не могу себе представить, что придется жить без математики, без науки. Итак, мне надо создать собственную келью – с математикой, с свободой духа и миром. Я думаю, что тут-то и есть истинное место для меня».
Его влекла «анатомия человеческого духа до религии включительно», интриговали границы метафизики – те рубежи, «до которых мы можем научно думать». Избрав темой диссертации «космологическое доказательство бытия Божия», он посчитал верным придерживаться того же «способа и направления мысли, какой создал науку о природе». И при этом отстаивал принцип автономии науки, готовый оберегать ее «от нападений богословствующего разума».
Ухтомский не терял надежды «оправдать молитву из начал науки», найти правду и свет в «келье с математикой». Он чувствовал: грешно уходить от жизни в одинокое самоуслаждение духовными благами – и потому искал конкретного полезного дела и активного поприща. Ему по сердцу был деятельный аскетизм мирянина. Поведенческий статус «монаха в миру» лучше всего соответствовал его душевному составу.
После Духовной академии Ухтомский отправился поступать в Петербургский университет на естественное отделение физико-математического факультета. Однако лицам с духовным образованием сфера естественных наук официально была заказана, поэтому он в 1899 году попадает сперва на восточный факультет по еврейско-арабскому разряду – с тем, чтобы год спустя перевестись на естественное отделение. В двадцать пять лет он опять с охотой сел на студенческую скамью, учился усердно и усидчиво и через два года утвердился ассистентом на кафедре физиологии животных, у профессора Николая Евгеньевича Введенского.