Gimnazjum thumb|Wrubel z siostrą (ok. 1870) W latach 1867–1870 Wrubelowie mieszkali w Petersburgu. W tym czasie ojciec artysty był słuchaczem Aleksandrowskiej Wojskowej Akademii Prawa, a młody Wrubel rozpoczął naukę w Piątym Gimnazjum. Szkoła ta wyróżniała się nowoczesnym podejściem do edukacji, kładąc szczególny nacisk na języki starożytne, literaturę, taniec i gimnastykę. Malarstwa uczył się w szkole działającej przy Cesarskim Towarzystwie Zachęty Artystów. Jednocześnie poświęcał wiele czasu naukom przyrodniczym, do których zainteresowania zaszczepił mu jeszcze w Saratowie nauczyciel i zesłaniec polityczny N.A. Pieskow.
Po trzech latach pobytu w Petersburgu Wrubelowie przenieśli się do Odessy, gdzie ojciec objął stanowisko sędziego garnizonowego. Tam młody Wrubel kontynuował naukę w Gimnazjum Richelieu'a. Z tego okresu zachowało się kilka jego listów do siostry studiującej pedagogikę w Petersburgu. Pierwszy z nich, datowany na 1872 rok, podobnie jak kolejne, odznaczał się swobodnym stylem i zawierał liczne cytaty w języku francuskim oraz łacińskim. W listach Wrubel wspominał o swoich pracach malarskich – portrecie zmarłego w 1869 roku brata Aleksandra, który namalował olejem na podstawie fotografii, oraz portrecie siostry zdobiącym gabinet ojca.