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由于培根十分聪慧，再加上家庭的严格训练和教育，他在12岁时就完成了语言、圣经、神学等多方面的知识储备。到了12岁时，所能请到的家庭教师已无法满足他的学习要求。于是父母试着为儿子选择了几所中学，可是听课之后，培根认为上课的内容过于简单了。
于是，父母为培根兄弟选择大学，以使他们继续学习和深造。当时，英国有两所著名的高等学校，一个是牛津大学，另一个是剑桥大学。牛津大学有着悠久的历史，宗教气氛较浓。剑桥大学在欧洲排名第三，宗教色彩比较淡，更适于俗家子弟读书，而且许多当朝非僧侣出身的大臣都是在剑桥毕业的。
尼古拉夫妇权衡再三，最终还是把培根和他的哥哥安东尼送到了剑桥大学的三一学院，让他俩攻读神学、哲学，同时还学习逻辑、数学、天文学和拉丁文等。
尼古拉夫妇还特意为培根兄弟请了当时学校最有学问的三一学院院长怀特姬夫特博士做导师。他后来担任了坎特伯雷的大主教。
1573年4月5日，小培根进入剑桥大学三一学院深造。那时他才12岁多一点儿，年长他两岁的哥哥安东尼与他一同入学。在入学的当天，三一学院院长亲自出门迎接这两个孩子的到来，以示热忱欢迎。
虽然得到特殊的待遇，但弗朗西斯·培根却不喜欢剑桥大学的生活。在约克府和高兰伯里别墅长大，过惯了自由的王公贵族生活的培根，刚来到这个古老的、呆板的学院，他感到如同置身于地狱一般。学院的老师们，身穿宽袖的长外套，头戴无边的软帽，老气横秋，许多人甚至还疾病缠身。虽然这些教授都学识渊博、满腹经纶，但他们既不平易近人、广泛地接触学生，也不能生动活泼地进行教学。
这些少年大学生，都不愿意规规矩矩地听老教授枯燥地讲课。有些顽皮的学生，常用各种恶作剧耍弄迂腐的老教授，有时甚至气得老教授用手中的书卷敲打他们的脑袋。可他们不但不怕，反而哄堂大笑。学校也拿这些贵族子弟毫无办法。
在剑桥大学学习没多久，这位12岁的少年大学生就深深地感到，教授们所讲的知识不是早已烂熟于胸，就是陈腐得让人感到窒息。
教授们上经院哲学课时，往往组织学生讨论一些十分无聊的问题，比如，“在一个针尖上同时可容纳几个神仙跳舞？”“猪上街是用绳子牵去的，还是被人赶去的？”培根对这样的讨论非常反感，他对这样的学习生活感到十分的痛苦和失望。
培根只要有空闲，就情不自禁地想念自己的母亲。母亲给他讲童话故事，母亲循循善诱地对他进行耐心的教育，以及母亲善待仆人、擅于管理家庭事务的形象，经常出现在他的脑海里。
安妮也十分挂念两个孩子在学校里的生活和学习，她经常到三一学院去看望培根兄弟俩。有一次，培根送母亲回家后，感慨地对同学们说：“我只有在母亲身边，才会感到无比的幸福。”
培根非常孝敬母亲，他在大学读书时，做每一件事都先想到母亲。只要是“使母亲高兴”的事，培根就会认真地去做。即使是令人最乏味的教授讲课，他只要想起母亲，也会认真地听讲，决不懈怠。
此时的培根，虽然不喜欢老教授在课堂上讲的内容，但他在课余对探讨古人的思想、探讨科学发现和它们在现实生活中的应用，却有浓厚的兴趣。对自己所学的各门课程，少年培根都表现出异乎寻常的才能和独立思考的精神。
1573年10月10日，培根获得了正式进入剑桥大学三一学院的许可。
在大学读书时，培根十分勤奋和刻苦。他很少把时间花在读书之外，在与别人的交往中，也往往是以谈论知识和辩论问题交友，从不把时间花在吃喝和闲扯上。
学校注重对学生辩论才能的训练，在训练中，往往是用拉丁文或希腊文让学生进行朗读和辩论。那些论辩成绩突出的学生一般都是学院的高才生。这种课程使一些不好好学习或较迟钝的学生感到难堪，但他们可以选择不参加。
在大学生中，培根虽然年龄最小，但他对这种很有挑战性的课程非常感兴趣，几乎每次论辩课他都参加。他事先进行充分的准备，临场即兴发挥。
每当小培根上台进行论辩的时候，总会引来许多师生的观看。培根那带着童稚嗓音的语调，讲出话来却有很强的逻辑性。他在论辩过程中从不强词夺理，而是以充分的事实和严密的逻辑使人信服。培根的逻辑思维能力在论辩课程中得到了锻炼和提高。
剑桥大学是英国的著名学府，开设的主要课程有逻辑学、辩证法、修辞学、高级文法、宗教、历史、语言学等。由于学生很少，导师可以像现代高等院校带研究生一样带学生，既没有系统的教材，也不集体上课，而是规定各个科目的原著，让学生自己去阅读，有了问题来问导师。这种学习方式，要求学生必须有很强的自我控制和自学能力。
学校把用希腊语、拉丁语朗诵文章和进行论辩，作为公共的训练。这种论辩是由答辩者用演绎的形式，对两个以上的对立意见加以论辩，每一步都要有明确的定义，并用三段论方法依次进行论证。学校认为这是使学生思维敏捷，并具有系统地、前后一贯地论述问题的技能的最好训练方法。
在这样的环境中，培根的父母很担心12岁的儿子能否适应。可是，早熟的培根比那些年龄大于他的学生更有自制力，对学习的兴趣也超过了其他同学。
培根兄弟很受同学们的欢迎，他们俩很风趣，并能随机应变，拿出有趣的想法与建议。培根对新学科表现出浓厚兴趣，这些新学科都是16世纪后半叶才渐渐为人所知的。
弗朗西斯·培根感到，自己对这些问题的探究责无旁贷。此时，他已经决定要“倾其全部所学，投身于家乡的建设”，他要利用所学，为“整个世界的变革”铺平道路。
母亲安妮对培根兄弟的教育极为关注，尤其对他们的宗教问题很不放心。安妮夫人是把宗教作为家规家训的虔诚的教徒，这样的母亲当然不会让儿子听其自然地成长。
当弗朗西斯和哥哥安东尼离开家庭去上学时，安妮紧张不安地注视他们进入社会，生怕公事和私人社交使他们结识不该交往的人。她常给住宿在学校的两个儿子写信，在她的信里，谴责逐渐多于关爱。
培根自愿在学院里过普通学生的生活，没有因为年龄小而要求特殊的照顾。培根进入大学后，很快就把自己融入知识的海洋。导师布置学习亚里士多德和柏拉图的著作，培根的同学们还在为看不懂而发愁的时候，小培根却已经读出了其中的味道。
从柏拉图和亚里士多德等人的原著和有关解释的著作中，培根了解了苏格拉底等许多哲学家的学说，并对他们有了初步的认识。培根把苏格拉底的学说与亚里士多德的哲学思想做了认真的对比，他更喜爱比较接近自然的早期哲学家的思想，而对于远离自然界、富于争辩的亚里士多德哲学产生了怀疑。
对此，培根后来的秘书罗莱曾回忆说：
爵士曾对我说，当他16岁左右，在大学读书期间，他首先对亚里士多德的哲学越来越不满。这不是因为作者本人毫不足取，他对亚里士多德本人是给予很高评价的。他不满的是亚氏方法的毫无效果。
爵士常对我说，作为一种哲学的亚里士多德的方法，只是富于辩驳和争论，却完全不能产生为人类生活谋福利的实践效果。他至死都保持这种看法。
从这段文字中可以发现，上千年来一直被人们奉为经典的亚里士多德哲学，在少年培根的心中，已经开始产生了动摇。
培根进而公开宣称，剑桥的教授们把自己的学问建立在亚里士多德哲学的基础上是大错特错的。他说，他们接受了一个以对自然界粗糙和肤浅的观察为基础的天真幼稚的科学。
培根下决心要把哲学导入更富于成果的轨道上来，把它从琐屑的论辩之中转移到能启迪和增进人类幸福上来。培根一生都坚持科学、哲学必须为人类生活实践服务的思想观念。为什么小小年纪的培根就能产生这么深刻的观念和追求呢？
在上大学前，培根就在父亲的图书馆里读过许多科学发现和发明方面的书。他的头脑里充满了许多好奇的问题，他经常对各种问题进行思考。
培根小小年纪就力图从本质上更好地理解人与自然、上帝与耶稣基督的关系。他思考最多的就是自然界的本质问题。因为他理解不了大自然的奥秘，为什么冬去春来、花开花落，人有生死？他在柏拉图和亚里士多德的哲学中找不到这些问题的答案。到了剑桥大学，培根在图书馆看到的科技图书就更多了。随着阅历的加深，他的视野也越来越宽广。
在伊丽莎白王朝，科学发现和发明及其在现实生活中的应用给人类带来了巨大好处，这是当时宫廷和上层人士家庭谈话的一项重要内容。培根耳濡目染，因此在这些方面就懂得比较多。
1540年，意大利人万诺乔·毕灵古乔写的关于冶金方面的第一部专著《烟火书》出版后，立即由伊丽莎白的宫廷要员托马斯·史密斯爵士带回英国，并很快被译成英文出版，广为流传。
不久之后，德国人阿哥瑞考拉用拉丁文写的《冶金学》，全面阐述了关于采矿和冶金方面的知识。1556年该书出版后，又很快被介绍到了英国。培根是一个好学而又早熟的少年，一有空闲他就钻到图书馆读这些科技方面的书和评论，受到很大的影响。
因为培根的知识丰富，他在同学中的威信也越来越高。课余时间，培根周围总是围着一些同学，他不是给同学们解答各种疑难问题，讲解从书本上得到的新鲜知识，就是绘声绘色地讲述柏拉图、亚里士多德等哲学家的奇闻趣事。
培根的词汇非常丰富，语言表达能力很强。即使是一件极为平常的事，他也能讲得非常生动，引人入胜。当时，英国正在迅速发展生产力，朝着工业革命的目标迅猛前进。人们迫切希望能从山里挖出各种矿物，提炼出各种有用的东西，用于各项事业。
有一天，培根激动地对同学们说：“你们想想，经院哲学和神学能使人们懂得从何处挖出矿石，又怎样把它们提炼成金属，并根据需要把金属制造成机器、轮船、大炮吗？而《烟火书》、《冶金学》这类书上的知识就可以教人们找矿石，冶炼金属。”
同学们都注视着培根，听着他所讲的内容。培根的讲话比教授讲课还吸引学生，他见同学们听得都入了神，于是接着说：“人类社会如果没有金属，那该是个什么样子？我们将回到树林里去，靠寻找橡实和浆果为生。”
培根在剑桥大学博览群书，学问不断增加。与此同时，培根发现鼓励他进行自由研究、自由判断的那些人，最终都被隔离了。当时在英国的大学里，几乎没有容纳思想者的空间。后来，培根写道：“在当时的大学里，几乎没有人愿意自由地思考。”
在保守思想居统治地位的16世纪，成熟的思想家也未必能提出的深刻疑问，培根在15岁时就提出来了，由此可以看出他思想的深刻和注重理论联系实际的倾向。正是这种倾向，激发了他对科学和实验的思考。
观察与实验是弗朗西斯·培根所追求的一切。如果实验没有任何结果，那么他是不会相信某种理论的可靠性的。基于逻辑所进行的各种争论，那已经是古人玩的把戏了，只有“观察并看到”，才会对未来有用。这种追求贯穿了培根的一生，并使他在后来的学习和研究中，形成了影响近代思想进程的经验唯物论。
对于此时的剑桥大学，培根感到失望，他后来这样写道：“智慧之人都已经被关进大学问家的地窖里去了……就像很多人被关进修道院和大学的地窖里一样。”培根对剑桥的学科极为轻蔑，认为英国当时的教育制度是有害的。
于是，培根和哥哥安东尼提出申请，希望允许他们回到古汉堡的家里，不再继续读下去。此外，几次瘟疫大流行也使得剑桥大学关门停学了好几次。在这几次瘟疫中，仅伦敦就有几千人被夺去生命。在大学毕业前夕，培根对一些要好的同学讲：
我们应该下决心彻底抛弃旧哲学，创立一种能直接为人类服务的新哲学，要把世界上的人们从“亚里士多德神学”的束缚下解放出来。
培根的真知灼见，使剑桥大学的老师和同学们对他刮目相看。
1575年3月，培根与哥哥安东尼均没有获得学位，就离开了剑桥大学。麦考莱这样形容他的离开：“他是带着这么一种心理走的：对剑桥的学科深为轻蔑；对英国的学校教育制度坚决地认为其根本有害……”
能够把两个孩子接回家里来，这使安妮夫人感到非常的高兴，因为她又可以亲自照顾他们了。
在1575年圣诞节前夕，剑桥大学三一学院里关于培根家两个孩子的记录终止了。这样，他们的正式求学生涯也就到了尾声。
培根在剑桥大学学习了近3年的时间，所学课程多达数十门。培根不仅对哲学和科学产生了浓厚的兴趣，而且对艺术、语言、文学等也极感兴趣。培根在剑桥学会了多种语言，培养了很高的文学素养。培根的写作，文笔生动活泼、语言美妙，把哲学和政论文章都写得像散文一样优美。
大学生活结束时，学校对培根的评价是：学习勤奋，对各门主修课程都达到了“精通”的程度。小培根堪称是当时的少年奇才。
培根和哥哥安东尼回家后的生活，看起来很舒服，他们盼望与家人一起在古汉堡过个快乐的圣诞节。安妮夫人坚持要砍伐一根最大的木头，在圣诞节时好好烧上一把，祈求来年万事如意。安妮还坚持亲自准备节日宴会，来庆贺全家的团圆。
弗朗西斯·培根和安东尼感到非常的高兴，他们感到自己已经长大成人了，头脑中充满了智慧。而且弗朗西斯·培根还有一个特点，那就是他有一种魅力超群的“嘲讽的智慧”。
本·琼森后来评价说，培根简直是“不嘲讽就说不了话”。他总是嘴上不留情，讥讽的话脱口而出。哥哥安东尼也被认为很有幽默感。而正是弗朗西斯超人的幽默感和深刻的精神世界，才使他在后来的艰难岁月中没有被打垮。
无论如何，古汉堡的这个圣诞节，标志着弗朗西斯·培根无忧无虑的日子一去不复返了。