В гимназию Михаил Врубель поступил в Петербурге. Это была Пятая городская гимназия, в которой постоянно модернизировали методики преподавания, особое внимание уделяли древним языкам, литературному развитию старшеклассников, были введены уроки танцев и гимнастики. Рисованием он занимался в школе при Обществе поощрения художников.
Проведя три года в столице, в 1870 году семья отправилась в Одессу, куда А. М. Врубель был назначен на должность гарнизонного судьи. В Одессе Михаил стал учиться в Ришельевской гимназии. В тот период Михаил написал маслом с фотографии портрет младшего брата Саши (умершего в 1869 году) и портрет сестры, украшавший кабинет отца. Врубель учился легко и шёл в классе первым, преуспевая в литературе и языках, увлекался историей, любил читать сестре на каникулах римских классиков на языке оригинала со своим переводом. В то время его больше увлекал театр, чем живопись.
После окончания гимназии с золотой медалью ни сам Врубель, ни его родители не помышляли о карьере художника. Было решено отправить его в Петербургский университет, расходы на проживание и пропитание брал на себя Н. Х. Вессель, на квартире которого Михаилу предстояло жить.
В 1876 году Врубель остался на втором курсе ещё на один год, аргументируя это в письме отцу необходимостью упрочить познания и повысить оценки. В результате, проучившись на год больше положенного срока, М. Врубель не защитил заключительную конкурсную работу и окончил университет в звании действительного студента.
Отчасти сказывался и богемный образ жизни, который он вёл с попустительства дяди. Однако в студенческие годы он делал и иллюстрации к литературным произведениям классическим и современным. Глубоко занимался и философией. Из сохранившихся графических работ того периода чаще всего воспроизводится композиция «Свидание Анны Карениной с сыном».
Активное участие в театральной жизни (Врубель был знаком с М. Мусоргским, бывавшим в доме Весселя) требовало немалых расходов, поэтому Врубель регулярно зарабатывал репетиторством и гувернёрством. Благодаря этой работе в середине 1875 года он смог впервые посетить Европу, побывав вместе со своим воспитанником во Франции, Швейцарии и Германии.
Врубель сблизился со студентами Академии художеств учениками П. П. Чистякова. Он вновь стал посещать академические вечерние классы, куда свободно допускались любители, и оттачивать пластические навыки, а в 24-летнем возрасте: окончив университет и отбыв краткую воинскую повинность, Врубель поступил в Академию художеств. Позднее художник характеризовал годы в Академии благодаря Чистякову «как самые светлые в своей художественной жизни». Учениками П. П. Чистякова были очень разные художники: И. Е. Репин, В. И. Суриков, В. Д. Поленов, В. М. Васнецов и В. А. Серов. Все они так же, как и Врубель, признавали его единственным своим учителем, почитая до конца своих дней.
Одним из главных для Врубеля в Академии оказалось знакомство с Валентином Серовым. Невзирая на десятилетнюю разницу в возрасте, их связывало многое, в том числе на самом глубинном уровне. С 1882 года, перейдя в натурный класс, Михаил Александрович совмещал занятия у П. Чистякова с утренними акварельными штудиями в мастерской И. Репина.
Михаилу Врубелю так и не удалось официально закончить Академии, несмотря на сопутствовавший ему формальный успех: композиция «Обручение Марии с Иосифом» удостоилась весной 1883 года второй серебряной медали Академии. Осенью 1883 года профессор А. В. Прахов по рекомендации П. П. Чистякова пригласил Врубеля в Киев для работы над реставрацией Кирилловской церкви XII века. Предложение было лестным и сулило хороший заработок, художник согласился ехать после окончания учебного года.
Киевские работы Врубеля оказались важным этапом в его художественной биографии: он впервые смог завершить весьма монументальный замысел и при этом обратиться к первоосновам русского искусства. Он принялся за глубокое изучение древнерусской живописи и византийских фресок, которые были открыты под наслоением XVIII века. Врубелю предстояло воссоздать утраченные фрагменты, а также написать новые иконы и фрески в древней традиции. Он научился по одной характерной детали воссоздать целое.
Общий объём работ, выполненных им за пять лет, грандиозен: самостоятельная роспись в Кирилловской церкви и иконы для неё, прорисовка там же ста пятидесяти фигур для реставрационных подмалёвков, и реставрация фигуры ангела в куполе Софийского собора. Одной из самых характерных композиций Врубеля для Кирилловской церкви стала фреска на хорах «Сошествие Святого Духа на апостолов», которая сочетает в себе точно уловленные черты византийского искусства и портретные искания молодого Врубеля. Помимо «Сошествия», Врубель написал «Вход Господень в Иерусалим» и «Оплакивание».
Закончив работу в Кирилловском монастыре, Врубель начал писать эскизы росписей для Владимирского собора, который только что был построен в Киеве. Невоплощённым чудом остались эскизы «Надгробный плач» и «Воскресение».
Врубель киевской весной 1884 года переживал бурную влюблённость в жену покровителя Э. Л. Прахову. Её лицо изображено на иконе «Богоматерь c Младенцем», сохранились и многочисленные наброски. Романа возникнуть не могло, но 27-летний художник сделал Эмилию Львовну объектом некоего романтического культа.
Художник совершенно оставил идею доучиться в Академии художеств и получить официальное удостоверение своей профессии. Врубеля командировали в Венецию в обществе Самуила Гайдука молодого украинского художника, который проявил себя, исполняя росписи по эскизам Михаила Александровича. Главным объектом их интереса были церкви заброшенного острова Торчелло. Диапазон их венецианских пристрастий очерчивается определённо: средневековые мозаики и витражи Сан Марко и церкви св. Марии острова. Это ярко проявилось в трёх иконах для Кирилловской церкви, написанных в Венеции, «Св. Кирилле», «Св. Афанасии» и сумрачном по колориту «Христе Спасителе». В Венеции состоялось случайное знакомство с Д. И. Менделеевым, женатым на одной из учениц Чистякова.
В апреле Михаил Александрович стремился только к одному вернуться в Россию. Вернувшись из Венеции, весь май и большую часть июня 1885 года Врубель провёл в Киеве. Там Михаил Александрович вёл богемный образ жизни, стал завсегдатаем кафешантана «Шато-де-флёр». Это поглощало все его невеликие гонорары, работу ему дал сахарозаводчик И. Н. Терещенко, который сразу же по прибытию в Киев выдал ему 300 рублей в счёт только задуманной картины «Восточная сказка».
В сентябре 1889 года Михаил Врубель поехал в Москву из-за увлечения цирковой наездницей. В результате остался в этом городе на полтора десятка лет. Врубель поселился в мастерской К. Коровина на Долгоруковской улице. К. Коровин познакомил Михаила Александровича с предпринимателем и известным меценатом Саввой Мамонтовым.
В этот период издатель Пётр Кончаловский (отей П. П. Кончаловского) задумал издать юбилейный двухтомник сочинений М. Ю. Лермонтова с иллюстрациями «лучших наших художественных сил». Всего было отобрано 18 художников, включая Репина, Шишкина, Айвазовского, Леонида Пастернака, Аполлинария Васнецова. Врубель в этой когорте был единственным, кто был совершенно неизвестен публике. С ним Кончаловского познакомил С. Мамонтов.
10 апреля 1891 года иллюстрированное издание получило цензурное разрешение и сразу же стало событием в прессе. Именно в прессе иллюстрации Врубеля подверглись ожесточённым нападкам, в первую очередь за «грубость, уродливость, карикатурность и нелепость». А через 20 лет критики станут утверждать, что именно Врубелю было подвластно «в переводе на новый язык» передать поэтическую сущность лермонтовского духа. Непонимание даже благожелательно настроенных к нему людей привело к тому, что Михаил Александрович внёс коррективы в собственные эстетические взгляды и отныне полагал, что «истинное искусство» непонятно почти никому.
Одновременно с иллюстрациями Врубель написал первое своё большое полотно на ту же тему «Демон сидящий». К образу Демона Врубель обращался ещё тогда, когда расписывал Киевские церкви.
20 июля 1890 года в Абрамцеве скончался 22-летний А. Мамонтов, проститься с которым поехал друживший с ним Врубель. Художник так и остался в Абрамцеве, где страстно увлёкся керамикой и вскоре стал руководить «заводом изразцовых и терракотовых декораций». Впервые в жизни Врубель перестал быть нахлебником в барских семьях и смог хорошо зарабатывать: он получил заказы на несколько печных композиций, занялся созданием майоликовой часовни над могилой А. Мамонтова и стал разрабатывать проект пристройки к городскому дому Мамонтовых в «римско-византийском вкусе».
Скульптура, мозаика, витраж, майолика, архитектурные маски, архитектурные проекты, театральные декорации, костюмы во всех этих направлениях раскрылось дарование Михаила Врубеля. Абрамцевская гончарня сыграла существенную роль в возрождении в России искусства майолики.