Основным в программе училища был обширный курс математики, по отзыву знаменитого русского математика П.Л. Чебышева, поставленный весьма высоко. Мосин, таким образом, получил серьёзную математическую подготовку, столь важную для артиллериста.
Специальный курс лекций по артиллерии читали лучшие артиллеристы того времени — С.К. Каминский, известный работами о картечницах, и А.А. Фишер, получивший премию за свой полевой лафет с боковым движением станины. Их лекции, неразрывно связанные с самостоятельной творческой работой, будили мысль слушателей, знакомили с современными проблемами артиллерийской науки. Уже тогда у Мосина проявился интерес к артиллерийской технике, который, усиливаясь с годами, привёл его сначала в артиллерийскую академию, а затем к самостоятельной конструкторской работе.
Мосин успешно занимался и в 1870 году был произведён в портупей-юнкеры. В июле 1870 года он отлично сдал экзамены и окончил артиллерийское училище по первому разряду. Мосин был произведён в подпоручики. Получив 21 июля 1870 года назначение во вторую резервную конно-артиллерийскую бригаду, молодой офицер через 10 дней отправился к месту службы. Строевая служба, однако, не слишком привлекала Мосина, хотя он был одним из лучших офицеров. Мосин стремился продолжить своё специальное образование и деятельно готовился к поступлению в Михайловскую артиллерийскую академию.
21 сентября 1872 года подпоручик С.И. Мосин успешно выдержал приёмный экзамен и был принят в число слушателей академии.
Русская Артиллерийская академия занимала ведущее место в мире в развитии артиллерийской науки. В её стенах работали крупные русские учёные, прославившие родину выдающимися открытиями.
Баллистику — основной предмет для артиллеристов — читал Н.В. Маиевский, первый в мире создавший научно обоснованную теорию стрельбы продолговатым снарядом. Его знаменитый курс внешней баллистики, вышедший в свет в 1870 году, стал настольной книгой для всех русских и иностранных артиллеристов. Маиевский много лет руководил разработкой всех технических вопросов, относящихся к артиллерии.
Кафедру артиллерийской технологии возглавлял А.В. Гадолин. Его труды в области применения теории упругости к расчёту прочности артиллерийских орудий имеют важное значение. Обширный курс лекций А.В. Гадолина, рассчитанный на подготовку специалистов для артиллерийских заводов, дополнялся производственной практикой слушателей.
Курс практической механики читал И.А. Вышнеградский — основоположник теории автоматического регулирования, труды которого сохраняют своё значение и до настоящего дня. Он работал инженер-механиком главного артиллерийского управления и обладал обширными знаниями по артиллерийской технике и специальным производствам. Вышнеградский был выдающимся лектором. По словам его ученика проф. В.Л. Кирпичева, он «ввел в России преподавание машиностроения, а, следовательно, и подготовку к отечественному производству машин». Вышнеградский готовил из своих учеников хороших конструкторов, так как сам обладал незаурядным конструкторским талантом.
Таким образом, все академические курсы велись крупными учёными и стояли на высоком научном уровне. Они будили творческую мысль слушателей, вводили их в обширный круг актуальных технических вопросов.
Развитию творческой инициативы слушателей способствовали умело организованные занятия по проектированию деталей машин и материальной части артиллерии.
Академия являлась мировым центром артиллерийской науки, воспитавшим целое поколение замечательных русских военных специалистов, одним из которых был и С.И. Мосин.
Мосин воспринял лучшие научные традиции русской академической артиллерийской школы. Впоследствии он заслуженно занял место в одном ряду со своими учителями, обогатившими артиллерийскую науку новыми открытиями.
После окончания академии Мосин должен был работать на одном из казённых артиллерийских или оружейных заводов. По обстоятельствам личного порядка он приехал в Тулу. В конце 1874 года Мосину стало известно, что его престарелый отец нашёл приют в семье тульских помещиков Арсеньевых. Посетив Тулу, Мосин после долгой разлуки встретился с отцом и решил поступить на Тульский оружейный завод.
Выбор места работы Мосиным оказался весьма удачным. Тульский оружейный завод — старейший в России — только в 1873 году был полностью реконструирован и оснащён новейшим оборудованием для массового производства принятой тогда на вооружение русской армии винтовки Бердана. Хорошая техническая база и замечательные производственные традиции завода, где оружие выделывалось веками и имелись прекрасные квалифицированные кадры, благоприятствовали изобретательской деятельности Мосина. К тому же решение ряда технических задач на вновь реорганизованном предприятии требовало проявления инициативы со стороны молодого офицера.