对理学极感兴趣的人，故他在所选的贡生中，对魏源的印象极为深刻。与魏源同时入选的还有李克钿、何庆元等人，他们三人对宋朝的理学最感兴趣。
1814年，20岁的魏源被选为贡生后，便到北京读书，但不久后又回到湖南。第二年，他又随父亲到北京继续深造。
魏源在家中一直刻苦学习，很少接触社会，与父北上求师，沿途的见闻使他大开眼界，增长了许多见识。在北上途中，他曾游览各地名胜古迹，对英雄岳飞抗金时“怒发冲冠”、“还我河山”的激情壮志，表现出深切的敬慕之情。他在诗中说：“恭惟忠孝人，英气寂不回。”当渡过黄河以后，看到一片荒凉，于是游兴大减，转而深入探讨四处野草丛生、兵荒马乱的原因。贫苦农民受害的惨状，在其思想上打上了深深的印记。另外，他在路上还看到了北方“一旱坐待槁，一雨成泥浆”的情况，深切地感到水利问题的迫切性。因此，他想写一部专讲水利的书，使北方农作物增产，人民免受饥寒之苦。
到了北京后，魏源一方面准备参加下一科的考试，以求功名，另一方面则寻师访友，进一步深造。他首先找到了同乡、翰林院的编修陶澍。陶澍为人正直、勇于任事，因成绩卓著，又和魏源是世交，因此，到北京后，他曾全力照顾魏源。
为了解决学习问题，魏源通过陶澍的介绍，与经学家胡承珙相识，从其学习经学。后又从学刘逢禄，广泛研读经学著作。他还曾向姚学块请教《大学古本》，并受到姚学块关于高尚品德的教育。他还向董桂敷请教古文辞。这些人，当时都是学术上的泰斗，对魏源有很大的影响。
另外，还有一些和魏源的年龄相仿的人常与之切磋学业。如龚自珍，他和魏源齐名，被世人并称为“龚魏”。陈沅，他们经常互评诗作，互相提高。同时魏源还和老师汤金钊有来往。他的苦干精神曾吓了汤金钊一跳，真可谓“长安车马地，花落不知春”。
他要想在北京生活，还得找个有收入的工作，于是他便求助于曾在湖南任学政的李宗瀚。李宗瀚邀他在家中教其子弟。在李家，他一面教孩子读书，一面自己读书。孤苦的生活，使他回想起“母织子读”的生活。恰在这时，他收到父亲勉励自己的来信。这些事都引起了魏源的思索。
嘉庆二十一年（1817年）冬，他从北京回到湖南。第二年冬天，他和严翊羲的女儿结婚。一年后，他又到湖南辰州，主修《屯防志》和《凤凰丁志》。不久，他又回到家乡。
1819年，他三进北京，参加顺天府乡试，被录为副贡，但因不能参加会试，他便住在北京等待下一科乡试。
道光三年（1821年），顺天府举行正科乡试，魏源考中第二名，俗称“南元”。由于得到了道光帝对试卷的好评，他的名气因此比之前更大了。第二年的会试中，他又没中，只好又在北京住下来，从事经学研究。他继承了常州学派的理论，探讨了理学家研究学术的方法，开始从理学家的虔诚信徒，逐步进入汉学家的行列。这时，他完成了《公羊古微》《诗古微》和《书古微》等书的写作。前一本在辛亥革命的兵乱中丢失，后两本有刻本传世。他在《诗古微·序》中叙述了自己研究《诗经》的经过。经过几年的研究，他体会到：学问之道浅尝是不可求得较正确的结论的，必须下工夫深入研究才可以达到目的。
《诗古微》在道光年初完成两卷，刻印成书，后来又增补修订，于道光二十年（1840年）完成20卷，重新刻印。《书古微》成书较晚，共12卷，序作于咸丰五年（1855年），实际上，它的初稿大约也是在这时完成的，以后继续修补，至咸丰初年才完成定本。
在这段时期，魏源除了著书外，还常和汉学家们在一起进行学术交流、对先辈汉学家进行纪念活动，实际上魏源已步入汉学家的行列。