W latach 1816–1822 Domeyko studiował na Wydziale Fizyczno-Matematycznym Cesarskiego Uniwersytetu Wileńskiego słuchając wykładów chemii (u Jędrzeja Śniadeckiego), fizyki, matematyki, astronomii, historii naturalnej, mineralogii, a także architektury, filozofii, literatury polskiej i historii. Za główny przedmiot zdawanego wiosną 1822 egzaminu magisterskiego obrał matematykę. Stopień magistra filozofii uzyskał na podstawie rozprawy Jak dotąd tłumaczono zasady rachunku różniczkowego i jak w dzisiejszym stanie matematyki należy je tłumaczyć.
Towarzystwo Filomatów i represje carskie W czasie studiów udzielał się też w tajnej działalności politycznej. W 1819 został przyjęty do Towarzystwa Filomatów. Był znacznie młodszy od innych członków tej organizacji, ale dzięki cechom charakteru i zamiłowaniom naukowym został wybrany na kierownika działu przyrodniczego.
Po ukończeniu studiów Ignacy Domeyko objął majątek Zapole, zyskując sławę dobrego gospodarza. W następstwie działalności filomackiej objęty został śledztwem w sprawie towarzystwa. Ostrzeżony przez Onufrego Pietraszkiewicza zdążył spalić dokumenty towarzystwa, ale i tak znalazł się wraz z dwustu innymi aresztantami w klasztorze bazylianów w Wilnie.