Вскоре Короленко принужден был оставить Технологический институт. «В Петербург я приехал с семнадцатью рублями, — вспоминал писатель, — и два года прошло в трудовой борьбе с нуждой». Вместо учебных занятий Короленко должен был взяться за труд «интеллигентного пролетария». Он раскрашивал ботанические атласы, выполнял чертежные работы, занимался корректурой. За все это он получал копейки, которых едва хватало, чтобы не умереть с голоду.

В 1874 году Короленко переезжает в Москву и поступает в Петровскую земледельческую и лесную академию. Здесь Короленко слушает лекции великого русского ученого К. А. Тимирязева и по его поручению рисует для его лекций демонстрационные таблицы. Дружеские отношения, начавшиеся еще между профессором и студентом, не прекращались до конца их жизни. Безгранично веривший в силу науки, убежденный материалист, Тимирязев вошел в сознание Короленко как идеальный тип русского ученого. Позднее писатель не раз вспоминал о своем великом учителе. В день своего шестидесятилетия Короленко писал Тимирязеву в ответ на его поздравительную телеграмму: «Много лет прошло с академии. Время делает менее заметной разницу возрастов. Но для меня Вы и теперь учитель в лучшем смысле слова».

В академии Короленко сближается с революционно настроенной молодежью, читает нелегальную литературу. Ему поручается заведование тайной студенческой библиотекой, распространяющей книги главным образом революционного содержания. По характеристике директора академии — человека реакционных убеждений, — Короленко принадлежал «к числу тех людей, которые до упрямства упорно держатся засевших в них воззрений, и если эти воззрения получают… ошибочное направление, то человек этот легко может увлечь за собой других, менее самостоятельных молодых людей».

В марте 1876 года Короленко за участие в составлении коллективного протеста студентов против администрации академии, выполнявшей чисто полицейские функции, был исключен из академии, арестован и выслан из Москвы.