10 июля 1851 г. Иван Сергиев окончил Архангельскую духовную семинарию первым учеником и решением семинарского правления был направлен на учёбу на казённый счёт в Санкт-Петербургскую духовную академию; 15 августа выехал в столицу. Впоследствии Иоанн Кронштадтский так оценивал открывшуюся перед ним возможность продолжить образование: «В самом деле, чем я был бы, если бы по окончании семинарского курса поступил священником в село? Едва ли бы далеко был от состояния болвана: всё доброе во мне заглохло бы и пропало». После смерти отца Иоанна Кронштадтского на попечении студента оказались мать и сёстры. Долг перед семьёй Иоанн Кронштадтский остро чувствовал всю жизнь, поэтому, не видя иного выхода, решил оставить учёбу в академии и стать диаконом или псаломщиком. Однако мать воспротивилась этому решению и не позволила сыну прекратить образование. Пошло навстречу и руководство академии: зная о стеснённых обстоятельствах Ивана Сергиева и о том, что у него лучший на курсе каллиграфический почерк, ему предложили место писаря в академической канцелярии с жалованьем 9–10 руб. в месяц. Кроме того, письмоводителю полагалась отдельная рабочая комната. Таким образом, помимо жалованья, которое он стал отсылать матери, Иван Сергиев получил возможность уединённого сосредоточенного досуга. В свободное от занятий время он читал Священное Писание, творения Иоанна Златоуста и Филарета (Дроздова). Первой и единственной книгой, которую он позволил себе купить в годы учёбы на деньги, полученные за переписку профессорского сочинения, были толкования Иоанна Златоуста на Евангелие от Матфея. Иван Сергиев любил молиться, прохаживаясь по академическому саду; впоследствии молитва на прогулке и в дороге станет для него необходимой потребностью. Привычку совершать молитвенное правило под открытым небом он сохранит навсегда. Во время учёбы на старших курсах Иван Сергиев делился с приятелями намерениями принять монашество и стать миссионером в Китае, Африке, Южной Америке. С 1853 г. в Санкт-Петербургской духовной академии существовал особый, миссионерский противораскольнический, класс, некоторые выпускники впоследствии служили в Русской миссии в Китае. Биографы пишут о случившемся у Иоанна Кронштадтского на четвёртом курсе коротком «духовно-нервном кризисе, выразившемся в приступах тяжёлой, беспричинной тоски и отчаяния». Вопреки ожиданиям академические успехи Ивана Сергиева были скромными; по собственному признанию, он был «едва ли не самый последний из студентов, бессловесен в классе и на экзаменах». После окончания академии в 1855 г. Иван Сергиев был удостоен степени кандидата богословия за сочинение «О кресте Христовом в обличение мнимых старообрядцев», которое проверял молодой бакалавр иеромонах Никанор (Бровкович). 23 сентября того же года он был причислен ко второму разряду академических воспитанников и после защиты диссертации утверждён в степени кандидата богословия (Российский государственный исторический архив). После окончания академии Ивану Сергиеву предложили занять место священника при кронштадтском соборе во имя апостола Андрея Первозванного. Впоследствии Иоанн Кронштадтский рассказывал, что в годы обучения в духовных школах ему приснился большой храм, в алтарь которого он вошёл северными и вышел южными вратами.