一九一一年春天，東山小學堂的賀嵐岡老師應聘到長沙的湘鄉駐省中學任教。因為毛澤東成績優異，賀老師願意帶他前往讀書。他第一次坐輪船到長沙，順利地考入了湘鄉駐省中學。
長沙是湖南的省城。這時，中國已到了辛亥革命爆發的前夜。湖南是革命黨人活動十分活躍的地方，反對清政府的宣傳特別激烈。駐守長沙的新軍也越來越傾向革命。
初到省城，十八歲的毛澤東的眼界頓時開闊得多了，感受到一種和鄉下完全不同的社會氣氛。他第一次看到革命派辦的《民立報》，成為它的熱心讀者，接觸到許多革命言論。當他在這張報紙上讀到黃興領導廣州黃花崗起義的新聞時，思想受到巨大的衝擊。他後來說：“宣統三年三月十九日（即一九一一年四月二十七日——引注）黃興在廣州起事，全國震動。訊息到湘，學生界中之抱革命主義者，已躍躍欲試。”
毛澤東就是這“躍躍欲試”者當中的一個。一天，他在學校牆壁上貼了一篇文章，表示支援革命黨推翻清朝、建立民國的綱領，提出把孫中山請回來當大總統，康有為做內閣總理，梁啟超做外交部長。這是毛澤東第一次公開表達他的政見，儘管他當時這種構想還很幼稚，連孫中山和康梁之間政治主張的分歧也不太清楚。
為了表示同腐敗的清政府徹底決裂，毛澤東在湘鄉駐省中學倡議並帶頭剪掉了辮子，還和一些積極分子採取突然襲擊的方式，把十幾個答應剪辮子、卻遲疑不肯動手的同學的辮子給強行剪掉了。這多少透露出他少年時代就具有的那種說到做到、果斷利索的行動風格。
一九一一年十月十日，武昌起義爆發了。新成立的湖北軍政府派代表趕來長沙，要求湖南革命黨人立即舉義響應。一位代表還到湘鄉駐省中學介紹武昌起義的情況。這是一次激動人心的講演，二十多年後毛澤東仍記憶猶新：“當場有七八個學生站起來，支援他的主張，強烈抨擊清廷，號召大家行動起來，建立民國。”他自己更是興奮異常，覺得正在進行的激烈戰鬥需要更多的人投入，決定投筆從戎，北上武漢參加革命軍。正當他和幾個朋友整裝待發的時候，長沙革命黨人於十月二十四日發動武裝起義，成立了湖南軍政府。毛澤東隨即投入長沙革命軍。他不願參加學生軍，而是投入湖南新軍二十五混成協五十標第一營左隊當了一名列兵。
在當兵期間，他除了接受軍事訓練外，把每月七元的軍餉大多用來訂閱報刊和購買書籍，了解時事政治。他讀報讀得十分認真，以後成為他一生的習慣。有一天，他從《湘漢新聞》上讀到一篇談論社會主義的文章。這是他第一次知道“社會主義”這個名詞。其實，當時他所看到的社會主義是江亢虎的中國社會黨鼓吹的社會改良主義，毛澤東卻很有興趣，和士兵們討論，還熱情地寫信給幾個同學提出應該研究這個問題。可是，反應很冷落，只有一個人回信表示同意。
革命形勢發展得很快。武昌起義後不到兩個月，全國大多數省份已宣告獨立。袁世凱通過南北議和竊取了革命勝利的果實，當上了民國臨時大總統。清王朝宣佈退位後，人們普遍興高采烈，認為革命已經成功了。毛澤東也覺得自己參軍的目的已經實現，開始重新考慮自己的前程，決定退出軍隊，繼續求學。他一共當了半年兵。
他開始關注報紙上的招生廣告，在專業的選擇上舉棋不定。他先後報考了警察學堂、肥皂製造學校、法政學堂、公立高階學校，都不滿意。最後以第一名的成績考入湖南全省高等中學校（後改名省立第一中學）。
在這所學校裡，毛澤東讀了半年。留下一篇被國文教員柳潛稱為“實切社會立論”的作文，題目叫《商鞅徙木立信論》。文章劈頭就說：“吾讀史至商鞅徙木立信一事，而嘆吾國國民之愚也，而嘆執政者之煞費苦心也，而嘆數千年來民智之不開、國幾蹈於淪亡之慘也。”看來，關於救國之道，他繼續沿著梁啟超開啟民智、塑造新民的路子在思考。這是毛澤東留下的第一篇完整的文章。全文僅六百字，老師的批語卻有一百五十字，說作者“才氣過人，前途不可限量”，“練成一色文字，自是偉大之器，再加功候，吾不知其所至”。還批給其他同學“傳觀”。
毛澤東覺得這種學校中刻板的校規和有限的課程，遠不能使他滿足。不久，柳潛借給他一套《御批歷代通鑑輯覽》，共一百一十六卷。他讀得很認真。讀完後，收穫很大，愈發覺得在學校裡讀書還不如自學。毛澤東對他認定了的事，是敢於採取哪怕驚世駭俗的行動的。他斷然決然地從湖南全省高等中學校退學，寄居在長沙新安巷的湘鄉會館，每天步行三里路到瀏陽門外定王臺的湖南省立圖書館自學。
他訂了一個龐大的自修計劃。他的學習十分勤奮，像牛進菜園一樣，不停歇地埋頭讀了大量中外書籍。他興趣最大、收穫最多的是西方十八、十九世紀資產階級民主主義和近代科學的著作，如盧梭的《民約論》、達爾文的《物種起源》，特別是嚴復翻譯的書，如亞當·斯密的《原富》、孟德斯鳩的《法意》、赫胥黎的《天演論》、斯賓塞的《群學肄言》等，他幾乎一一讀過，可以說相當集中地接受了一次較為系統的西方近代思想文化的啟蒙教育。他在這個圖書館第一次看到那裡牆上掛著的一張世界大地圖，那是每天經過時都要看到的。他才知道世界原來是多麼大，中國只是其中的一小部分，湘潭縣在地圖上根本沒有。這個發現，對一個走出鄉關才一年多的知識青年來說，感受該是多麼新鮮和強烈！
又一個半年過去了。毛澤東的自學生活雖然“極有價值”，但已難以為繼。他遇到了難題：父親不支援他這種似乎是漫無目的的讀書，拒絕繼續供給費用。同時，他寄居的湘鄉會館也被佔了，住進了些被遣散的湘鄉籍士兵，經常滋事打架。這裡不能再住下去了。
他不得不面對現實來設計自己的未來，而對人生的選擇似乎還處於徘徊狀態。這時，他已是不乏閱歷的快滿二十歲的青年了。