1788年，高斯小學畢業了，經過比納特和巴蒂爾的再三勸說，高斯的父親才同意兒子繼續升學，學費由比納特和巴蒂爾負擔。這一年，高斯以優異的成績考入布倫瑞克高級文科中學。在這所學校裏，他很快地掌握了古德語、拉丁語和希臘語的主要課程。由於他在古典文學上的良好基礎和獨到之處，他一開始就上了二年級。過了兩年，他又升到了高中哲學第一班學習。這時，高斯仍未放棄對數學的愛好。1788年，高斯11歲時，巴蒂爾買到了他們盼望已久的大數學家歐拉著的《代數的完整介紹》一書。這是公認的代數學的權威著作。高斯對二項式（1＋x）n定理產生了濃厚的興趣。
歐拉二項式（1＋x）n的展開式是這樣敘述的：當n為自然數時，展開式有有限項；當n為非自然數時，展開式有無限項。高斯對這一結論頗感興趣，便嚐試對它作出證明。關於這個證明的詳細內容現在還沒有留下可靠的資料，但即使這個證明是不完善的，至少也反映了高斯治學的嚴謹。高斯是公認的現代數學中第一個嚴格證明論者，他對分析的嚴密性要求影響了整個數學界。
12歲時，高斯對統治了2000多年的歐幾裏得幾何是否是唯一的幾何真理產生了懷疑，到16歲時，他已清楚地看到非歐幾何的曙光。
由於高斯聰明好學，他很快成為布倫瑞克遠近聞名的人物。一天，在放學回家的路上，高斯邊走邊看書，不知不覺地走到了斐迪南公爵（？—1806）的門口。在花園裏散步的公爵夫人看見一個小孩捧著一本大書竟如此著迷。於是叫住高斯，問他在看什麼書。當她發現高斯讀的竟是歐拉的《微分學原理》時，十分震驚，她把這件事告訴了公爵。
1791年，經卡羅琳學院講師馮·齊美爾曼介紹，斐迪南公爵召見了高斯。通過簡單的交談，公爵喜歡上了這個略帶羞澀的孩子，並對他的才華表示讚賞。公爵同意作為高斯的資助人，讓他接受高等教育。
1792年，高斯在公爵的資助下進入了布倫瑞克的卡羅琳學院學習。在此期間，他除了閱讀學校規定必修的古代語言、哲學、曆史、自然科學外，還攻讀了牛頓、歐拉和拉格朗日等人的著作。高斯十分推崇這三位前輩，至今還留有他讀牛頓的《普遍的算術》和歐拉的《積分學原理》後的體會筆記。在對這些前輩數學家原著的研究中，高斯了解到當時數學中的一些前沿學科的發展情況。由於受歐拉的影響，高斯對數論特別愛好，在他還不到15歲時，就開始了對數論的研究。從這時起，高斯製定了一個研究數論的程序：確定課題——實踐（計算、製表、或稱實驗）——理論（通過歸納發現有待證明的定律）——實踐（運用定律進一步作經驗研究）——理論（在更高水平上表述更普遍的規律性和發現更深刻的聯係）。盡管開始研究時並不那麼自覺和完善地執行，但高斯始終以極其嚴肅的態度對待他從小就開始的事業。
1795年，公爵又為他支付各種費用，送他入德國著名的哥丁根大學，這樣就使得高斯得以按照自己的理想，勤奮地學習和開始進行創造性的研究。1799年，高斯完成了博士論文，回到家鄉布倫瑞克，正當他為自己的前途、生計擔憂而病倒時──雖然他的博士論文順利通過了，已被授予博士學位，同時獲得了講師職位，但他沒有能成功地吸引學生，因此隻能回老家──又是公爵伸手救援他。公爵為高斯付了長篇博士論文的印刷費用，送給他一幢公寓，又為他印刷了《算術研究》，使該書得以在1801年問世；還負擔了高斯的所有生活費用。所有這一切，令高斯十分感動。他在博士論文和《算術研究》中，寫下了情真意切的獻詞：獻給大公，你的仁慈，將我從所有煩惱中解放出來，使我能從事這種獨特的研究。