Свое детство Владимир сначала провел в Петербурге, а затем в Харькове, где поступил в гимназию, а летом с семьей выезжал к многочисленным и гостеприимным полтавским родственникам. На всю жизнь он сохранил привязанность к языку, истории и культуре малороссийского края, специально ими занимался и в «Заметках по истории Украины» причислял себя к «родному племени украинскому». Культуру и общественные воззрения юного Владимира, естественно, формировало ближайшее семейное окружение. Особый след в его душе оставил старший сводный брат Николай, сын рано умершей от туберкулеза первой жены отца, замечательной русской публицистки М. Н. Шигаевой. Любимец семьи, необычайно одаренный юный художник и поэт, он был первым учителем Володи в чтении и письме, ввел его в сокровищницу мировой культуры.
Получив от Николая решающий толчок к научному познанию, Владимир с 13 лет начал вести подробный дневник, который обнаруживает неожиданные стороны его личности. Оказывается, с раннего детства он был наделен странными, пугавшими его самого качествами. Наряду с наследственным лунатизмом в нем проявилась способность во сне и наяву вступать в контакт с образами дорогих ему людей, причем в яркой галлюцинаторной форме. Но «из-за страха» (его собственное объяснение в поздних дневниках) Владимир решительно заглушил в себе такого рода «мистические» рецепторы, сознательно закрыв для себя эту область: «Я что-то остановил в своей природе. Иногда жалею, что погасил, а не развил эту способность… Твердо и ясно сознаю, что какая-то сторона видения мною в моей личности остановлена». Но вытесненные способности возвращались к нему в экстремальных ситуациях. Сознательно же самоограничение и предельная дисциплинированность стали основой плодотворной целеустремленности всей его научной и личной жизни.
После переезда семьи в Петербург Владимир окончил гимназию и в 1881 г. поступил на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, где под влиянием выдающегося ученого В. В. Докучаева занялся минералогией и кристаллографией. Но его интересы не замыкались на этих узких областях науки. Вернадский серьезно занимался почвоведением, физической географией, мерзловедением, природными водами, биологией, историей развития научной мысли, философией, историей и литературой. Для чтения художественной и научной литературы он изучил все славянские языки, а также английский, французский, немецкий и многие другие, что помогало ему в общении с иностранными учеными во время многочисленных научных командировок по Европе.
Не оставался Владимир в стороне и от общественной жизни. В 1883 г. он стал одним из основателей Студенческого научно-литературного общества и руководил его научным советом.