Конец 50-х годов был решающим этапом в формировании мировоззрения Домбровского. В эти годы созрели и оформились две наиболее характерные черты его внутреннего облика. Во-первых, это проходящее через всю его жизнь стремление как можно совершеннее овладеть военным делом, которое он считал своей единственной настоящей специальностью; во-вторых, крепнувшая из года в год ненависть к тому социальному, национальному, религиозному гнету, который испытывали польский народ и другие народы Российской империи. Сначала явно превалировала первая черта, но постепенно решающая роль стала переходить ко второй.

Решение поступить в Военную академию созрело у Домбровского в 1858 году. Оно, с одной стороны, открывало путь к военным знаниям, с другой — давало возможность, переехав в Петербург, оказаться в самом центре общественного движения, переживавшего тогда период подъема. За последние полтора года службы на Кавказе Домбровский все свободное время посвящал подготовке к вступительным экзаменам. В июле 1859 года пришел долгожданный вызов на экзамен в академию, и после коротких сборов Домбровский отправился в путь.

В формулярном списке Домбровского есть такая запись: «Отправлен в Николаевскую академию генерального штаба для образования в высших военных науках 1859 года июля 30. Прибыл августа 12, зачислен в оную 1859 года декабря 15». Следовательно, подготовка к экзаменам и сами экзамены заняли четыре месяца: с середины августа до середины декабря. За это время экзаменующиеся успели не только подружиться друг с другом, но узнать преподавателей академии и освоиться с ее порядками.

Что же представляло собой это учебное заведение? Сто лет тому назад ни в русской армии, ни в армиях крупнейших западноевропейских держав не было генеральных штабов как высших военных учреждений, а существовала так называемая «служба генерального штаба». В нее зачислялись наиболее образованные и знающие офицеры, предназначенные для замещения руководящих должностей в штабах, начиная от штаба дивизии и выше. В целом они составляли своего рода мозговой трест армии, на который возлагалось: заблаговременное изучение вероятных театров военных действий, оценка сил и средств противника, составление планов стратегического развертывания, текущее планирование боевых операций и конкретное руководство ими. Именно служба генерального штаба создала, между прочим, многотомное «Военно-статистическое обозрение Российской империи», являющееся очень важным историческим источником и ценным географическим, этнографическим и экономикостатистическим трудом огромного масштаба (он состоит из нескольких десятков томов с сотнями таблиц, схем и т. д.).

В России подготовка офицеров генерального штаба осуществлялась сначала через специальное отделение Военной академии, а затем была создана Академия генерального штаба. Ее выпускники на какое-то время «причислялись к генеральному штабу» и лишь после испытательного срока «переводились в генеральный штаб». Это, однако, вовсе не значило, что после этого они зачислялись в какое-то одно учреждение и должны были находиться в столице и сидеть под одной крышей. Напротив, как первые, так и вторые находились в разных концах страны, служили в штабах почти всех существовавших дивизий, корпусов, армий, а отчасти занимали командные, преподавательские и иные должности во многих городах России, являлись так называемыми военными агентами (атташе) в зарубежных столицах.

Термин «высшие военные науки», примененный в формулярном списке Домбровского, не был преувеличением: Академия генерального штаба не только действительно давала высшее образование, но являлась самым важным и самым трудным из существовавших тогда военно-учебных заведений. Хотя срок обучения в академии был двухгодичным, ее слушатели получали подготовку, не уступающую университетской по некоторым гуманитарным дисциплинам и математике, а по специальным предметам их знания были на уровне лучших западноевропейских академий, в частности знаменитой в те годы французской. На рубеже 50-х и 60-х годов XIX века в академию ежегодно принималось несколько десятков человек (не свыше 70). Всего офицеров генерального штаба насчитывалось около 500 человек, при общей численности офицерского корпуса русской армии примерно в 30 тысяч. Высоко оценивая революционный потенциал офицерского состава, Огарев в одном из своих конспиративных документов особо выделил как наиболее реальный резерв освободительного движения: «генеральный штаб и Военная академия — 460 офицеров».

Еще до начала приемных экзаменов Домбровскому был объявлен «высочайший» приказ о производстве его за отличия на Кавказе в чин поручика. Среди слушателей академий (кроме Академии генерального штаба, в Петербурге находились Артиллерийская и Инженерная академии) и в частях столичного гарнизона он встретил массу старых друзей и знакомых. Бывший воспитанник Брестского кадетского корпуса Ян Станевич после пятилетней службы в Оренбургском корпусе получил офицерский чин и «всемилостивейшее» прощение; теперь он кончал ту академию, в которую поступал Домбровский; а младший брат Яна — Иероним Станевич здесь же держал вступительные экзамены. Домбровский и Иероним Станевич вместе с Фердинандом Варавским и Михалом Гейденрейхом, быстро подружившись, решили поселиться вместе. Сравнительно недалеко от академии нашли просторную квартиру, в которой расположились так, что каждый имел свою отдельную комнату, а самая просторная комната, оставшаяся свободной, служила общей гостиной. Все четверо жили только на офицерское жалованье, большая часть которого уходила на оплату жилья и питание. Несмотря на недостаток времени и средств, один день недели предназначался для приема друзей и знакомых. В этот день квартира заполнялась военной и студенческой молодежью, в гостиной появлялись чай и незамысловатые закуски. Несколько раз менялось местонахождение общей квартиры, отчасти менялся и состав группы, но уклад жизни оставался тем же.

Учился Домбровский с большим интересом и настойчивостью. На выпускных экзаменах он получил высокие оценки и оказался в числе одиннадцати выпускников, отнесенных к первому разряду; правда, в их числе он был предпоследним. При двенадцатибалльной системе оценок за годовые сочинения (нечто вроде дипломных работ по основным предметам) ему поставили 10 баллов. Средний балл по основным специальным предметам у него был выше одиннадцати (тактика—11, стратегия и военная история — 11,7, военная администрация — 12, военная статистика — 11,6, геодезия, топография и съемки—11,7). По вспомогательным военным и по общеобразовательным дисциплинам оценки оказались несколько ниже: фортификация — 10, артиллерия — И, русский язык — 10,5, политическая история — 9,5, иностранный язык — 9; в среднем это составило 10 баллов. «За отличные успехи в науках» Домбровский был в декабре 1861 года произведен в чин штабс-капитана.

Экзамены проводились публично и проходили в просторном зале академии с 29 сентября по 24 октября 1861 года. Они начинались в 10 часов утра в состояли преимущественно из защиты положений заранее приготовленных годовых сочинений по соответствующему предмету. В экзаменационные комиссии входили видные представители тогдашней военной науки: М. И. Богданович, А. И. Беренс, М. И. Драгомиров, Г. А. Леер, В. М. Аничков, А. И. Макшеев. В зале, кроме академического начальства и доброжелателей экзаменующихся, присутствовало каждый раз несколько генералов — из департамента генерального штаба и других составных частей военного министерства, из гвардейского корпуса, царской свиты и т. д. Бывали даже члены царской семьи. Изредка появлялся бывший профессор академии, а ныне товарищ (то есть заместитель) военного министра Д. А. Милютин, которого Домбровский знал как начальника главного штаба Кавказской армии. Престарелый патрон Милютина, николаевский служака Н. О. Сухозанет только числился военным министром — фактически он исполнял должность наместника Александра II в Царстве Польском и находился в Варшаве. Многие из присутствующих знали, что замена Сухозанета уже предрешена, и заранее относились к Милютину как к министру.