Nel 1856 la famiglia si trasferì a Charkiv affinché anche i figli più piccoli, Nikolaj e Il'ja, cominciassero il liceo. Durante il suo primo anno di scuola, Il'ja lavorò assiduamente in tutti i rami del curriculum e il suo nome apparve presto sulla lista degli onori. Sotto la direzione dell'insegnante di lingua russa, che subito percepì l'acutezza dell'intelligenza di Il'ja, questi lesse “Storia della Civiltà” di Henry Thomas Buckle, libro che all'epoca aveva una grande influenza sulle giovani menti russe. Secondo la principale tesi dell'autore, il progresso dell'umanità dipendeva principalmente dalla scienza; questa idea subito fece breccia nella testa del ragazzo e confermò le sue aspirazioni scientifiche. Alcune letture di stampo diverso da quello scientifico, proibite dalla censura russa, incentrate su idee materialistiche e teorie sociali, influenzarono il giovane ragazzo che, a poco a poco, perse la fede che aveva avuto sotto l'influenza della madre.