当毛决定去大城市上中学时，已快满18岁了。他特别想去离他家约120里的湖南省会—长沙。1911年暑假以后，他请东山小学的一位教员介绍他进长沙的湘乡驻省中学。他带着这封宝贵的推荐信和萧三一同步行去长沙。按照毛后来的话说：“当时极其兴奋，一面又担心不让我入学，我几乎不敢希望真能进这所有名的学堂。
他们在湘潭停下，换乘渡船去长沙，萧三说当他们看见“喧闹的城市，街上拥挤的人流”，他们感到“说不出的激动”。出乎毛的意料，他几乎没费什么周折，便顺利地被湘乡中学录取了。
在这里他见到了第一份报纸《民立报》，它是革命运动的喉舌，刊载着反清起义以及孙逸仙在1911年至1912年革命运动前夕政治活动的激动人心的报道。孙逸仙是广州的一农家孩子，他先进教会学校读书，成为基督教徒，后又去香港学医，最后成为共和运动的领袖。毛回忆说：“我激动之下，写了一篇文章贴在学堂的墙上。这是我第一次发表政见，思想还有些糊涂。”他仍然强烈地钦佩他在东山学堂读书时知道的政治维新派，所以在他贴出的第一张大字报里提出，孙逸仙当共和国的总统，康有为当国务总理，梁启超当外交部长，后来他自己承认说：“我并不清楚他们之间的差别。”
帝制政权垂死挣扎，竭力阻止变革潮流，反满情绪在学生中进一步加强了，一群爱国者在湘乡中学相约把辫子剪掉，以蔑视帝制。毛和另一个同学剪掉了辫子，但其他人最后都不守信用，没有剪辫子。
毛回忆说：“我的朋友和我就出其不意强剪他们的辫子，总共有十几个人成了我们剪刀下的牺牲品。”但是毛在这所学校里感到不自在。半个世纪之后毛在一次政治局会议上说：“我小时候，在中学时，只要一听到不合我意的消息，我就火冒三丈……
毛到长沙不久，武汉就爆发了推翻满清统治、实现共和的大起义。起义代表来到毛的学校演讲。这次演讲激励着毛去参加革命军。他和几个朋友决定到武汉去。出发前他们借了一些雨鞋，因为听说“汉口的街道很湿”。
但是由于种种原因，毛和他的朋友未被录取，他们只好再返回长沙。
这时毛能够亲眼观察政治风云的变幻。1911年10月22日，他亲眼目睹了共和军夺取长沙的经过。起义军沿着铁路线推进，在长沙城外打了一个大仗，同时城里也爆发了大起义。城门被轰开，被中国工人夺取，毛站在一座小山上观察战斗。
起义胜利后，建立了新政府，但新政府的执政时间并不长，几天之后毛看见新都督和副都督横尸街头，他们成为保守派复辟的牺牲品。皇帝仍未退位，毛因而决定参加当地的共和军，为完成这场革命而尽力。
毛所在连的连部设在法院里。在军队里他接受了正规的训练，当然也承担了一些额外的义务，如军队转移时，为长官挑床铺、被褥和衣箱。一些士兵，每天都得到城外的白沙井去为连队、为军官挑水。毛回忆说：“我的军饷是每月7元……每月伙食用去2元。我还得花钱买水。士兵用水必须到城外去挑，但是我是一个学生，不屑挑水，只好向挑夫买水。”毛年轻时很看重劳动的贵贱。
毛剩下的饷银主要用在订报上，他贪读不厌。萧三回忆说：“每张报的四面他一字不漏地看完，报纸上也有新闻，也有政论，也有各种各样的文章，他觉得，真是五花八门，美不胜收！从报纸上可以得到许多的知识。特别从这时起，他就注意研究时事与社会问题。
就是在一张报纸上，他第一次看到了论述社会主义的文章。文章很简略，写得也很糟，但毛受到了启发，他急切地开始和士兵们讨论社会主义。“认为它是迄今为止所提出的拯救世界和人类的最好理论。”萧三回忆说。在他的战友中，只有两个人毛很喜欢，一个是湖南的矿工，一个是铁匠。“其余的都是一些庸碌辈，有一个还是流氓。”毛后来评论说。
在军队里过了六个月灰心丧气、平淡无奇的军营生活后，毛决定退出军队。上层政界达成停战协议，因此“我便退出军队，决定回到我的书本上去”。当时毛已很清楚，无论他们怎么动摇君主制，新的共和军队也无法战胜顽固保守的中国地方军阀。孙逸仙成为中华民国的总统，但不久就被一名将军所取代，湖南的革命者被愚弄，他们的领袖被代表地主官僚的军阀谭延闿暗杀。
毛的军队生活给他上了很好的一堂课。他的一个老师后来解释说：“毛在军营中的雇佣兵生活使他懂得，依靠这种军队来达到革命的目的是徒劳的，因为在政治上很难教育他们。毛明白，要成功地进行农村改革运动……就必须武装农民自己。
离开军队后，毛在省城长沙没有明确目的地转游了一年。他试着读几所学校，但没有一所合他的意。他开始注意报纸上的广告。毛回忆说：“我并没有一定的标准来判断学校的优劣，对自己究竟想做什么也没有明确主见。”
一则警察学校的广告引起了他的注意，于是他去报名投考。但是考试之前，他又改变了主意，交了一元钱去报考一所制造肥皂的学校。招生广告说学校供给膳食住宿，还给一些津贴，又大吹制皂业对社会大有好处，可以富国利民。“这则广告很吸引人，鼓舞人。”毛说。
这时一个学法政的朋友劝他进他的学校，毛也读到了这所学校娓娓动听的广告。它许诺“在三年内教完全部法律课程”，并且保证毕业后“马上可以当官”。毛听从了他朋友的劝告，向家里写信要求寄学费来。“我把将来当法官的光明图景向他们描述了一番。”
但又一则广告引起了毛的注意，这是一所商业学堂的广告。毛的另外一个朋友劝告他说，国家面临的真正挑战是在经济方面，最需要经济人才来建设国家。毛又被他的观点打动了，向这个商业学校交了宝贵的一元报名费，并且被录取了。
他在被录取后，还不断受到新广告的**。这一次看到的是一则“把一所公立高级商业学校说得天花乱坠”的广告。毛又交了钱，进了这个学校，并写信告诉他的父母，他父亲很赞成—这个老头现在很支持他的儿子接受进一步的教育。
但是毛碰到了一个没有想到的难题。“在这所新学校上学的困难是大多数课程都用英语讲授。我和其他学生一样，不懂得什么英语。说实在的，除了字母就不知道什么了。”而且这所学校没有英语教师。“这种情况使我感到很讨厌”，所以到月底他就退学了，继续留心报上的广告。
他下一个尝试上学的地方是省立第一中学，他又花了一元钱的报名费。结果考试发榜时，他名列第一。这所学校很大，偏重历史。毛受到了校长的鼓励，他欣赏毛的写作。但是毛在这里并不感到愉快。“它的课程有限，校规也使人反感。”他自己阅读了一本历史书《御批通鉴辑览》，是一个老师借给他的。他感到自学比在校学习更好，他在这个学校待了六个月就退学了，开始尝试一种新的生活。
在1912年至1913年冬这段时期，他每天都去坐落在浏阳门定王台的湖南省立图书馆读书，一直读到关门才出来。“中午只停下来买两块米糕吃。这就是我每天的午饭。”
他那时住在新安巷的湘乡会馆里，因为伙食便宜。唯一麻烦的是会馆里还住着湘乡籍的被遣散的士兵，他们没有工作，总是跟学生吵架。一天晚上，这种敌对发展成为武斗，士兵想杀死学生。“我躲到厕所里去，”毛回忆道，“直到殴斗结束以后才出来。”
然而，这是毛的知识发展的一个重要时期，他阅读了在英国受教育的达尔文主义者严复翻译的许多西方重要思想家的著作。“我在那里第一次（18岁的时候）看到一幅世界地图，怀着很大的兴趣研究了它。”他读了查尔斯·达尔文的《物种起源》、亚当·斯密的《原富》、穆勒的《名学》、赫伯特·斯宾塞的《群学肄言》、孟德斯鸠的《法意》、让－雅克·卢梭的《社会契约论》以及赫胥黎的《天演论》。
最后一本书对毛的影响特别大，因为它与中国固有的认为今不如昔的传统思想针锋相对。除了阅读这些重要哲学著作外，毛“在认真研读俄、美、英、法等国历史地理的同时”，还广泛地阅读了“诗歌、小说和古希腊的故事”。
毛沉醉在知识的大海里，自由自在地畅游，毛父却非常恼怒，到最后断了他的生路，拒绝对他的这种自学提供资助。毛不得不离开会馆，另找安身之处。毛回忆说，当时，“我也认真地考虑自己的‘前途’，我差不多已经作出结论，我最适合于教书。”
毛又开始留意广告了，他看到了一所师范学校的广告，说不收学费，膳宿费低廉。毛的两个朋友也想进这所学校，他们请毛帮助他们准备入学考试的作文。“我替那两位朋友写了作文，为自己也写了一篇。”毛回忆说。他们两个人都被录取了，所以毛夸口道他实际上是被录取了三次。“那时候我并不认为我为朋友代笔是不道德的行为，这不过是朋友之间的义气。但正是毛后来要求50年代的年青一代把对国家和国家思想的忠诚放在高于朋友义气和家庭观念之上。
毛将在湖南第四师范学校度过**不安而又思想定型的五年。湖南第四师范学校是辛亥革命之后的1912年创办的，几个月后就和第一师范学校合并。它坐落在长沙南门外的“书院坪”，前临湘江，长沙一片新兴的工业包括石墨厂、电灯厂和造币厂就在附近。此外，粤汉铁路在1917年以后就日夜啸叫着从附近通过。
这是一所公立学校，学生用不着交学费，其方向是把出身贫苦家庭不能上大学的孩子培养成小学教师。学校的基础是最新式的民本主义教育理论，不仅包括传统的学科，还包括身体活动、社会生活和道德实践。学校还有一个藏书丰富的图书馆，教员思想比较开明，提倡自己思考，这是毛所喜欢的。学校很强调爱国主义，表现为使用全国通用的语言而不是本省方言，教师强调要牢记中国的国耻。
毛1913年春进入该校时已19岁了，几乎可以说这是毛真正受教育的开始，毛后来回忆说：“我过了20年甘露般的生活，对世界一无所知。”
毛计算过，他在这所学校共花了160元。“在这笔钱里，想必有三分之一花在报纸上，因为订阅费是每月1元。我常常在报摊买书，买杂志。我父亲骂我浪费。他说这是把钱挥霍在废纸上。可是我养成了读报的习惯。从1911年到1927年……我从来没有中断过阅读北京、上海和湖南的日报。”星期天如果学生们起来晚了吃不上饭，他们就把食堂里剩下的冷饭冷菜自己热一下，每当别人热饭、热菜时，毛总是一个人吃冷饭、冷菜，也不知道他是节俭呢，还是不在乎，抑或是太懒了。
这所学校给每个新生发一套蓝色的毛料校服，这件校服毛穿了许多年，直到校服已褪了色，磨出了洞还在穿。此外，毛经常穿一件灰色的布料学生长袍，冬天在长袍里面再加一件旧式的夹克衫，一年四季都穿一条肥大的布裤。夏天他几乎从不穿袜子，布鞋也常常是裂着口子。他经常盖一床很粗糙的蓝色棉被，被里的棉花又旧又硬。
毛每天都起得很早，漱洗完毕就去教室读书。下课后，一般都在读报室看报，或去图书馆借书。别人都上床睡觉了，他还在茶炉室、读报室看一会书，有时就在走廊里通宵不灭的灯光下读书。他的朋友说，毛手里总是拿着一本书，他从来不开玩笑，也不闲聊。他还常常独自一个人或邀几个朋友到校后的山上读书。难得几次上街时，他一般也都要去玉泉街或府正街逛逛，因为这两条街上有些旧书摊和新书店，毛常掏空了羞涩的腰包买些他喜欢的书。
他学习中国文学、道德、地理和历史。他的一个同学回忆说，毛特别喜欢司马光的《资治通鉴》和顾祖禹的《读史方舆纪要》，这两本书分别成于11世纪和17世纪。毛习惯于把读报时看到的外国人名、地名记下来，和地图上、书上的相比较，再查找原文。正确的名称或引文他就记在一张小纸条上，再把小纸条夹在书里，这样他就可以随时浏览和复习。无论什么时候要找他，朋友们都知道他“在阅报室”。
他的古文和新式文章都写得很好，文笔流畅，为学生们所传颂。他读书时很细心，他所喜欢的句子都圈点起来，而对他不赞成的话则批上诸如“荒谬”、“不通”等评语。每读一本书都这样，甚至第二次读书时还对前一次所作的圈点加上新的评语。
他的苏格拉底式的特征也是很突出的，他的中文传记作者说他：“还特别有好问……的习惯，他最懂得学与问是不可分离的。”
但不是每一件事毛都喜欢。特别是该校至少有35种烦人的校规禁令，限制了他的自由，诸如禁止经商、禁止组织政党、禁止唱下流的歌曲、禁止看坏书、禁止非法集会，等等。毛还讨厌必修的自然科学课程，因为他想专修社会科学。他回忆说：“我对自然科学并不特别感兴趣，我没有好好地去学，所以大多数这些课程我得到的分数很差。”他的一个老师还记得，毛的数学成绩特别差，有时考试还交白卷。
毛后来说，他尤其讨厌一门静物写生课，他认为这门课“极端无聊”。他往往想出最简单的东西来画，草草画完就算了。有一次他画了一个椭圆说这是蛋，结果考试不及格。“我画了一个椭圆形就算了事。”
但毛的社会科学各科的成绩都非常好，这就弥补了他在自然科学和艺术各科上的低分数。毛后来描绘自己对学校的态度就像是反抗者一样，“我不服从校规，”他承认说，“我的原则是只要不被开除就没关系。就拿考试来说吧，我的分数从50分、60分到80分都有，平均分是70分。”
毛承认他对学校是欠了债的。“我没有正式进过大学，”他告诉他的一个朋友说，“也没到外国留过学，我的知识，我的学问，是在一师打下了基础，一师是个好学校。”
就是在这里，毛的组织才能开始显露，萧三回忆说，无论什么时候其他人谈话时，毛都“略低着头或偏着头听别人谈话，而自己只‘嗯’、‘是的’的回答，在倾听对方说完之后，他有条有理地给对谈者分析，提出要点，作出结论。他的话并不多，但每一句都很中肯，都能启发人，再往前进，再往远处大处着想，你有什么疑问他只要一谈，便会迎刃而解，一切都明朗化，都有了办法。
另外一个记述毛这段学校生活的人总结说，毛在会上“从不轻易表态”，无论是主持会议还是一般发言—最突出的是他从不作冗长、离题而混乱的讲话。如果他旁边的其他人开始辩论，甚至吵起来的时候，毛都静静地用心倾听各方面的意见。