Гимназии Н. Н. Миклухо-Маклай не окончил; из-за частых недоразумений с учителями и препирательств с ними он был вынужден уйти из 6-го класса. В 1863 г. семнадцатилетний Н. Н. Миклухо-Маклай поступил вольнослушателем Петербургского университета по отделению естественных наук физико-математического факультета, откуда весною 1864 г. был уволен «за неоднократные нарушения правил, установленных для вольнослушателей».
Для продолжения образования Н. Н. Миклухо-Маклай выехал за границу. В течение двух лет он слушал физиков и натуралистов и отчасти юристов и философов в Гейдельбергском университете. В Лейпциге Н. Н. Миклухо-Маклай усердно занимался на медицинском факультете анатомией, одновременно слушая лекции по естественным наукам и на других факультетах. Интерес к сравнительной анатомии у него сохранился на всю жизнь. Даже всецело отдавшись изучению первобытных народов, он не оставлял анатомических работ. Свое медицинское образование Н. Н. Миклухо-Маклай продолжил в Иене, где посещал лекции знаменитого Эрнста Геккеля, тогда еще молодого профессора зоологии, оказавшего на него благотворное влияние в развитии самостоятельных научных изысканий.
Завершив свое естественно-историческое образование, Н.Н.Миклухо-Маклай отдался изучению широчайших научных проблем, посвященных происхождению жизни, развитию видов, законам эволюции органического мира. Вместе с Э. Геккелем, ассистентом которого он стал в 1866 г., он совершил свое первое путешествие на Канарские острова. Здесь он занимался анатомией губок и изучением мозга хрящевых рыб. Возвратившись из экспедиции в 1867 г., Н. Н. Миклухо-Маклай вел сравнительно-анатомические работы в Мессине, куда отправился с доктором Дорном, пропагандистом организации морских зоологических станций. В 1869 г. Н. Н. Миклухо-Маклай совершил поездку по берегам Красного моря, собирая материал для своих больших обобщений. Во избежание преследования со стороны арабов Н. Н. Миклухо-Маклай преобразился в мусульманина: он обрил голову, окрасил лицо, надел арабский костюм, приобрел некоторое знакомство с языком и внешними мусульманскими обычаями. В этом виде он и странствовал по коралловым рифам Красного моря с микроскопом, один, подвергаясь многим лишениям и опасностям. Приходилось выносить температуру более 35°, лихорадку, скорбут и, в довершение всего, голод. Но, несмотря на все это, Н. Н. Миклухо-Маклаю удалось собрать богатые зоологические и сравнительно-анатомические материалы. Вскоре он направился в Константинополь и Одессу, посетил южный берег Крыма и побывал на Волге, собирая материалы по анатомии хрящевых рыб. Отсюда он приехал в Москву на 2-й съезд русских естествоиспытателей и врачей, где выступил с докладом о необходимости организации русских зоологических и биологических станций на Черном, Балтийском, Каспийском и Белом морях, на Волге и других реках. Эта идея Н. Н. Миклухо-Маклая на съезде встретила сочувствие. Вскоре стали появляться русские зоологические станции. Но полностью широкий план научных исследований, предложенный Н. Н. Миклухо-Маклаем, не был осуществлен из-за отсутствия средств.
Из Москвы Н. Н. Миклухо-Маклай прибыл в Петербург и был радушно принят в Академии наук, где ему предложили заняться коллекцией губок из богатых академических собраний. На заседании Русского географического общества в Петербурге Н. Н. Миклухо-Маклай сделал доклад об особенностях Красного моря, о его фауне, характере берегов и быте населения. Тогда же у него созрела идея путешествия на обширные территории островов Тихого океана для изучения быта и нравов первобытных народов. Она отвлекала Н. Н. Миклухо-Маклая от обработки огромных собранных им естественно-исторических материалов. Но для него «поле научных наблюдений» все еще оставалось «белым», неисследованным. Ни лично собранные материалы, ни академические коллекции не казались ему достаточными для увлекавших его грандиозных обобщений. Молодой и энергичный путешественник, одержимый стремлением дать науке все новые и новые богатства фактического материала, рвется в «поле», которым на этот раз для него является Тихий океан.
«Выбирая в 1868 г. ту часть земного шара, которой предполагал посвятить свои исследования, – пишет Н. Н. Миклухо-Маклай в своем сообщении Русскому географическому обществу в 1882 г., – я остановился на островах Тихого океана и преимущественно на Новой Гвинее, как острове наименее известном… имея в виду, главным образом, цель – найти местность, которая до тех пор, до 1868 г., еще не была посещена белыми. Такою местностью был северо-восточный берег Новой Гвинеи, около бухты Астролябия». Его Н. Н. Миклухо-Маклай назвал: «Берег Маклая». Объясняя причины, в силу которых он оставил зоологию и эмбриологию и посвятил себя этнологии, Н. Н. Миклухо-Маклай пишет: «Все-таки почел за более важное: обратить мое внимание на status praesens житья-бытья папуаса, полагая, что эти фазы жизни этой части человечества при некоторых новых условиях (которые могут явиться каждый день) весьма скоро преходящи. Те же райские птицы и бабочки будут летать над Новой Гвинеей даже в далеком будущем».
27 октября 1870 г. из Кронштадта вышел в кругосветное плавание русский военный корвет «Витязь». На нем отправился в далекое путешествие и Н. Н. Миклухо-Маклай. Путь «Витязя» лежал через Магелланов