20 сентября 1851 года 16-летний юноша стал кондуктором Главного инженерного училища и Петербурге. Основанное в 1819 году, это учебное заведение стало кузницей инженерных кадров для русской, позднее советской Армии. Воспитанниками училища были писатели Ф. М. Достоевский и Д. В. Григорович, физиолог И. М. Сеченов, ученый-электротехник Н. П. Яблочков. С момента основания училище располагалось в Михайловском замке, позднее названном Инженерным, бывшей резиденции Павла 1. Замок расположен почти в самом центре Петербурга.
В годы учебы Кюи впервые знакомится с оперой. На императорской сцене в Петербурге существовали две оперные труппы – русская и итальянская. Несмотря на то, что уже были поставлены великие оперы М. И. Глинки: «Жизнь за царя», «Руслан и Людмила», первая опера А. С. Даргомыжского «Эсмеральда», важно признать, что русская опера находилась в плачевном состоянии. Финансирование и поддержка правительства была целиком на стороне итальянской школы.
С несколькими товарищами-единомышленниками Кюи становится завсегдатаем Большого театра. Перед молодым человеком стал открываться тогда целый мир великого искусства: произведения Дж. Россини, В. Беллини, Г. Доницетти, Дж. Мейрбера, В. Обера, Ш. Гуно, А. Тома. Конечно же, Кюи было нелегко разобраться в достоинствах того или иного произведения. Музыка в исполнении отличных певцов, хора, оркестра, богатое художественное оформление спектаклей, сама праздничная торжественная атмосфера театра – все это было ему в новинку, все представлялось значительным и прекрасным. Его впечатления, осмысленные острым, пытливым умом, дали впоследствии богатую пищу для формирования Кюи как критика и композитора.
Однако ни растущий интерес Цезаря к музыке, ни впечатления от спектаклей в Большом театре, ни музицирование по выходным не отвлекали его от учебы. Уже в это время начало исподволь формироваться умение одновременно сочетать разнородные виды деятельности, как военное дело и музыка.
В 1855 году, в возрасте 20 лет, Цезарь Кюи успешно окончил Инженерное училище, и 11 июня он был произведен в полевые инженеры прапорщиком «с оставлением при училище для продолжения курса наук в нижнем офицерском классе». Отличная физическая подготовка, прекрасные знания военного дела, основы фортификации были приобретены за годы учебы в училище.
С этого времени начался новый период в жизни Цезаря. Теперь он мог жить на частной квартире, а не в училище. И самое главное, все свое свободное время он начал отдавать любимому делу – музыке.