Последние годы учебы были наполнены новыми событиями. Согласно военным преобразованиям, начатым министром Д. Н. Милютиным, общеобразовательные классы кадетских корпусов реорганизовывались в военные гимназии с широкой учебной программой, в которой преобладали точные и естественные науки. Это способствовало подготовке грамотных в техническом отношении кандидатов в военные училища и еще больше утвердило желание Сергея продолжить учебу в военно-техническом заведении.
В 1867 году Мосин весьма успешно окончил гимназию. Он получил отменную теоретическую подготовку, а главное, выработал в себе способность к труду и веру в свои силы. Еще до окончания гимназии Сергей выбрал для дальнейшей учебы Михайловское артиллерийское училище. В беседе с генералом, директором гимназии, он изложил свое желание и получил полное одобрение. Но когда пришло время окончательного распределения гимназистов по училищам, в Михайловском для Мосина не оказалось вакансии. Вконец расстроенному юноше пришлось дать согласие на учебу в 3-м военном Александровском училище, которое находилось в Москве. Назначение туда он получил 12 июля, но пехотным юнкером пробыл недолго. В начале октября в Михайловском артиллерийском училище открылись дополнительные вакансии, и 11 октября Мосин был переведен на учебу в Петербург. Сергей, конечно, не знал, что Военное министерство, пытаясь покрыть недостаток артиллерийских кадров среднего офицерского звена, решило перевести в Михайловское училище наиболее способных к математике слушателей пехотных и кавалерийских училищ и даже Пажеского корпуса.
Михайловское артиллерийское училище имело замечательную историю, у истоков его стоял сам Петр Великий. Указом от 1698 года он основал при бомбардирской роте Преображенского полка первую в России артиллерийскую школу. Затем Екатерина II преобразовала ее в Артиллерийский шляхетский корпус, просуществовавший до начала XIX века. В 1820 году была сформирована учебная артиллерийская бригада, и 25 ноября того же года при ней — Артиллерийское училище, получившее через 29 лет наименование Михайловского.
Это старейшее военное училище России выпускало офицеров с высокой профессиональной подготовкой. Учебный план предусматривал солидный математический курс, включавший интегральное и дифференциальное исчисление, аналитическую геометрию, начала высшей алгебры, все артиллерийские дисциплины, в том числе фортификацию и топографию.
Для Мосина, давно уже привыкшего к систематической работе, занятия в училище стали едва ли не единственным времяпрепровождением. Он увлеченно изучал труды С. К. Каминского, читавшего специальный курс артиллерии, досконально разобрался в устройстве полевого лафета с боковым смещением станины, изобретенного А. А. Фишером, с наслаждением окунался в формулы по баллистике. Товарищи удивлялись работоспособности Сергея и называли его книжником и затворником.
