比起高中時代，馬斯克在大學時代更加雄心勃勃。他學習商業課程，參加演講比賽，他標誌性的專注和競爭力也始於那個時候，並一直延續至今。一次經濟學考試之後，馬斯克、法魯克和其他幾個同學回到宿舍，拿出筆記翻看，想知道誰在考試中表現得更好。結果很快明朗，馬斯克對於知識的掌握比其他人更紮實。在很長一段時間裡，馬斯克保持了一如既往的專注。「這是一群卓越之人，但顯然埃隆遠超其他人，在鐘形曲線之外，」法魯克說，「一旦埃隆想了解某個事物，他會投入比別人多得多的精力。這是埃隆和其他人的不同之處。」
1992年，在皇后大學待了兩年之後，馬斯克獲得獎學金後便轉學到了賓夕法尼亞大學。馬斯克希望這所常青藤名校可以幫他開啟更多的機會之門，於是主修了雙學位——首先是沃頓商學院的經濟學學位，然後是物理學學士學位。而賈斯汀則待在皇后大學，追尋著她的作家夢想，並跟馬斯克展開了異地戀。有時候她會去探望馬斯克，兩人會在紐約度過一個浪漫的週末。
馬斯克在賓夕法尼亞大學更加如魚得水，並且和那些學物理的同學相處甚歡。「在賓州，他能夠遇到跟他想法相似的人，」梅耶說，「那裡有一些書呆子。他很享受與他們相處的時光。我還記得有一次跟他們去吃午餐，他們討論一個物理問題，a加b等於圓周率的平方之類的。他們會開懷大笑。看見他如此開心，這簡直太棒了。」但同樣，馬斯克並沒有跟其他專業的學生交上朋友。很難找到當年對他有印象的學生。但是他的確結交了一個很親密的朋友阿德·雷西(adeoressi)。雷西后來成為一名矽谷創業者，並且一直與埃隆保持著密切的關係。
雷西的身高超過6英尺，是一個瘦瘦高高的傢伙，有著精靈古怪的氣質。相比馬斯克的勤奮和腳踏實地，他更加色彩斑斕並富有藝術氣息。兩個年輕人都是轉學生，並且最後都被安排在髒兮兮的新生宿舍裡。這種黯淡的社交品質沒有達到雷西的期望，於是他跟馬斯克商量去校外租一間大房子。他們最後用相對低廉的價格租下了一套有10個房間的大房子，這之前是兄弟會沒有被租用的房子。馬斯克和雷西平時學習功課，但到週末快來臨的時候，雷西就會把房間佈置成夜總會。他用垃圾袋將窗戶擋住，以便讓屋內變黑，並用亮色的顏料和其他能找到的任何物件來裝飾牆面。「這絕對是一個無照經營的夜總會，」雷西說，「會有500個人光顧，每個人只需要交5美元，就可以在這裡任意享用酒水——啤酒、果凍酒以及其他型別的酒水。」
每到週五晚上，房子裡就會迴盪著從雷西超重低音音響裡傳出的音樂，連地面都隨之顫抖。梅耶到訪過其中一次派對，發現雷西正在往牆上釘東西，然後在上面刷上在黑暗中會閃閃發亮的塗料。後來，她在門口負責保管衣物和收取門票，並且抓住一把剪刀用來防身，因為用來裝錢的鞋盒裡面已經堆滿了鈔票。
第二幢房子裡有14間客房。馬斯克、雷西和另外一個人住在那裡。他們將膠合板放在舊桶上做成桌子，還有其他一些臨時裝修點子。有一天，馬斯克回家後發現雷西把他的桌子釘在了牆上，並且塗上了熒光粉。他不動聲色地把桌子取下來，漆回黑色，然後繼續用來學習。雷西說，「我當時的反應是，‘老兄，這是我們俱樂部的裝飾品’。」當我向馬斯克提起這件事時，他實事求是地說：「那是一張桌子。」
馬斯克偶爾會喝伏特加兌健怡可樂，但他的酒量並不大，也不太喜歡酒的味道。「在派對上必須有人保持清醒的頭腦，」馬斯克說，「我在大學裡一直都是自力更生，一個晚上就可以賺回一個月的房租。阿德負責把房間裝飾得酷炫一點，而我則負責讓派對繼續下去。」當談到這一點時，雷西說道，「埃隆是自制力極強的傢伙。他從來不會把自己灌醉，從來不會，這種情況從未發生過。」只有當馬斯克不分晝夜地玩電腦遊戲的時候，雷西才不得不制止他的行為。
馬斯克對於太陽能領域的長期興趣和在利用新能源領域的探索始於賓夕法尼亞大學。1994年12月，他要為一門功課撰寫一份商業計劃書，題為「太陽能的重要性」。論文的開頭體現了馬斯克略帶諷刺的幽默感。在頁面的頂部，他寫道「太陽明天會升起……——小孤兒安妮論可再生能源」。接下來，這篇論文基於材料的改進和大型太陽能發電站的建設，預測太陽能技術將蓬勃發展。馬斯克深入研究了太陽能電池的工作原理和各個部分的有效利用。在論文的結論部分，他描繪了「能源站的未來」。他畫了一對巨大的太陽能電池板漂浮在太空——每個有4000米長——通過微波源源不斷地向地球發射能量，而用來接收能量的天線直徑有7000米。馬斯克的論文獲得了98分，他的教授認為這是一篇「非常有趣、寫得很不錯的論文」。
他在第二篇論文中討論了文獻和書籍的電子掃描方法，首先進行光學資料識別，然後把所有資訊存入一個單一的資料庫——就像今天的谷歌圖書(googlebooks)和谷歌學術(googlescholar)的結合體；他的第三篇論文又涉足了馬斯克最喜歡的主題——超級電容器。在這份44頁的檔案裡，馬斯克對於能源儲存的新型方式感到歡欣鼓舞，他認為這些技術未來可以應用到汽車、飛機和火箭上。他的論文中提到了矽谷一家實驗室的最新研究，他指出：「最新研究結果表明，這是自電池和燃料電池問世以來，又一種儲存大量電能的新方法。此外，因為超級電容器保持了電容器的基本特性，它傳送電能的速度可以比同等重量的電池快數百倍，但是充電速度一樣快。」馬斯克的這篇論文獲得了97分，並獲譽「分析得非常透徹」且具有「出色的財務知識」。
教授的評價非常中肯。馬斯克可以像邏輯學家那樣清晰簡潔地表達，同時非常準確地從一個要點轉移到下一個要點。但馬斯克真正突出的地方在於，他將複雜的物理概念與商業計劃相結合的能力。不僅如此，他還顯示出了將一項科研成果轉化為營利性企業的非凡才能。
馬斯克開始認真思考大學畢業後的選擇，他曾考慮過進入影片遊戲行業。從童年時代起，他就非常迷戀遊戲，並有遊戲行業的實習經歷。但是，他又覺得這個追求不夠宏大。「我真的很喜歡電腦遊戲，但即使我做出了非常出色的電腦遊戲，這又會給世界帶來多大影響呢？」他說，「這不會對世界產生很大的影響，雖然我發自內心地熱愛遊戲，但我不會把它當作我的職業。」
在接受採訪的過程中，馬斯克往往要讓人們意識到，在他的人生中，有一些真正偉大的想法一直根植在腦海中。正如他所說的，他在皇后大學和賓夕法尼亞大學經常思考未來世界的可能性，最後得出下面這個結論：他認為網際網路、可再生能源和太空探索這三個領域正在發生鉅變，並且自己可以在這些領域有所作為。他鄭重其事地說要同時進軍這些領域。「我把這些想法告訴了我的前女友和前妻，」他說，「這聽起來就像瘋子在胡言亂語。」
馬斯克堅持宣揚他的早期理想——關於電動汽車、太陽能和火箭，但很難令人信服。這讓人感覺他似乎在以一種強制的方式來塑造自己的人生故事。但是，對於馬斯克來說，跌跌撞撞地闖進某個領域和有意為之是有明顯區別的。長期以來，他一直想讓世界知道，他和矽谷那些作坊式的創業者是不一樣的。他並不是在順應潮流，也不是為了發財，他是在追求一個整體的計劃。「我的確在大學期間就開始思考這些事情，」他說，「這不是事後編造出來的故事。我不想被看作一個新手，我不喜歡跟風和投機。我不是投資者。我喜歡把那些對於未來真正重要和有價值的技術，以某些方式變成現實。
當梅耶前往加拿大去尋找住所的時候，14歲的托斯卡趁機把南非的家族房產賣掉了。「她還賣了我的車，並準備把我們的傢俱也賣掉，」梅耶說，「當我回來問她為什麼這麼做時，她說，‘別再遲疑了，我們現在就離開這個地方。’」