在刘氏兄弟中，以刘秀和刘縯最有出息，但这一母同胞的兄弟俩脾气禀性却截然不同。刘秀谨慎而比较内向，刘縯则刚毅慷慨而比较外向。刘縯经常把刘秀比作刘仲，意思是说他和刘仲一样，也是个窝囊废。不过刘秀对于哥哥的嘲笑，并不在意。他是哑巴吃饺子——心中有数。新莽天凤年间，这位刚刚20出头的年轻人，在叔父那里受完启蒙教育之后，他决心走出家乡，到京师长安的太学去继续深造学习，亲眼看一看那里的精彩世界。
这里所谓的“太学”，是古代的一种政治大学。西汉名儒董仲舒在他的对策中就曾建议朝廷“兴太学”，“以养天下之士”。元朔五年（公元前124年），汉武帝采纳丞相公孙弘的奏议，正式建立太学。那时，太学规模很小，仅有学生50人，称作“博士弟子”。顾名思义，太学的教师就是博士，而博士的弟子便是太学生。他们的来源，一是由朝廷的太常（即奉常，九卿之一，掌宗庙礼仪，景帝时改名太常），从“民年十八以上仪状端正者”之中选拔；二是由郡国从好文学、敬长上、顺乡里、出入不悖者中选拔保送。另外还有个别凭借父祖的官位被保任者。由于汉武帝罢黜百家独尊儒术，所以太学里的博士皆为儒经博士，他们给太学生们讲授的自然也全是儒家典籍了。昭帝时，博士弟子增加为100人。宣帝末又翻了一番，为200人。元帝好儒，尽管当时财政紧张，但他还是把太学生增至1000人。成帝时，有人建议说，孔子以一介布衣尚且有弟子三千，如今天子太学弟子实在少得可怜，应该大大增加，于是向孔子看齐，博士弟子增员至3000人。平帝元始四年，秉政的王莽“奏起明堂、辟雍、灵台，为学者筑舍万区”，“立乐经，益博士员，经各五人”，太学的规模再次扩大。
刘秀从一个小地方来到当时世界东方最大的城市长安，眼界自然是开阔多了。当时他跟随一位名叫许子威的先生学习《尚书》。许先生是庐江（今属安徽）人，后曾官拜中大夫。《尚书》就是我们平常所说的《书经》，也简称作《书》，是古代政治文献如记事文告、命令、讲话记录等的汇编，据说经由孔子删定。它上起远古的虞舜，下至春秋的秦穆公，按时代顺序分为《虞书》、《夏书》、《商书》、《周书》四部分。秦始皇焚书时，博士伏胜（即伏生）冒着生命危险，在夹壁墙里偷藏了一部。后不久，陈胜、吴广领导的农民起义爆发，再接着又是楚汉战争，天下乱糟糟的。为避战祸，伏生四处流亡。“汉定，伏生求其《书》，亡数十篇，独得二十九篇，即以教于齐、鲁之间”。这就是汉代流传的用通行的隶书书写的《今文尚书》。
“孝文时，求能治《尚书》者，天下亡（无）有，闻伏生治之，欲召；时伏生年九十余，老不能行，于是诏太常，使掌故朝错（即晁错）往受之”。据说当时伏生因年老说话口齿已经不清，便让女儿传言给晁错。由于双方语音的差异，晁错对他女儿所讲的话，有百分之二三十听不懂。在这种情况下，错只好“略以其意属读而已”。汉武帝末，鲁共（恭）王扩建宫室，拆除孔子故宅时在墙壁里又发现了一部用“古字”书写的《尚书》。嗣经孔子后裔孔安国研究，发现它比社会上流行的29篇本《尚书》多出了16篇。这就是所谓的《古文尚书》。孔安国将它献给了朝廷，可惜由于巫蛊之祸，未能列入学官。直到王莽秉政，始立《古文尚书》学博士。刘秀跟随许子威所学《尚书》，究竟是今文，还是古文，由于文献缺略，现在已经很难说清楚了。史载刘秀学习《尚书》“大义略举”之后，便“因学世事”；由于他聪颖勤奋，故“朝政每下，必先闻知”，而且“具为同舍解说”，即把自己所“闻知”的“朝政”“解说”给同宿舍的人听。应该说，这种学习经历，对于刘秀的成长是很有益处的。
当时与刘秀一块儿来京城太学学习的还有族兄刘嘉。刘秀这位族兄也是自幼父母双亡，由刘秀的父亲刘钦收养。刘嘉性情仁厚，刘钦养视如子。由于这兄弟俩自小一起长大，如今又同来太学学习，所以倒是很好的一对伙伴。刘嘉除了学习《尚书》外，还学习《春秋》。不过比较来看，刘秀却是一个更为活跃并很有胆气的人物。那时南阳上层人士往来长安，他与这些人保持着经常的联系，并为之效力。为了解决求学盘资的不足，刘秀与同宿舍住的韩子共同凑钱买了一头驴，租给别人使用以赚钱，不想此做法还真见经济效益。一次，为了替季父家追回逃租，他竟诉讼到大司马严尤那里。严尤见刘秀一表人才，也很赏识这位年轻人。这些说明青年时代的刘秀便是一位颇有政治头脑且善于经营管理的人，说明其思维的敏捷并具有多方面的才干。史书称他“仁智明远，多权略，乐施爱人”，大体还是不差的。
南阳宛（今河南南阳）人朱祐，字仲先，当时也在太学学习。刘秀“往候之，祐不时相劳苦，而先升讲舍”。日后刘秀做了皇帝，朱祐是臣子。一次刘秀驾临朱家，笑着问他说：“主人得无舍我讲乎？”据《东观记》记载，当年刘、朱在长安求学时，两人曾“共买蜜合药”；后来刘秀追念此事，便赐给朱祐白蜜一石，并问道：“何如在长安时共买蜜乎？”
