La casualidad hizo que el joven ayudante de su maestro, Johann Martín Bartel,
fuera también un apasionado de las matemáticas. Ambos pasaron muchas
horas juntos estudiando, ayudándose en las dificultades y ampliando
demostraciones. En esta época se producen sus primeros trabajos sobre el
teorema del binomio.
El propio Batels, por medio de algunos de sus influyentes amigos, consiguió
presentar a Gauss al Duque de Brunswic, Carl Wilhelm Ferdinand en 1791. A
partir de entonces el duque se encargó de pagar la educación de Gauss.
En Febrero de 1792 Gauss ingresó en el colegio Carolino, donde estudió durante
tres años, conociendo la obra de Euler, Lagrange y, sobre todo, los Principia de
Newton. Cuando dejó el colegio, en Octubre de 1795, aún no había decidido si se
dedicaría a las matemáticas o a la filología.
En 1796, un mes antes de cumplir los 19 años, Gauss consiguió la construcción de
un polígono regular de 17 lados con regla y compás, como se exigía en la
Geometría desde Grecia. Algunos autores consideran este hecho fundamental
para que Gauss se decidiera por las matemáticas y no por la filología.
A los 19 años había descubierto por si solo un importante teorema de la teoría
de los números, la ley de la reciprocidad cuadrática. Después de su regreso a
Brunswic en 1799, el duque tuvo que ser convencido para seguir con su ayuda
económica a Gauss. Como contrapartida debió presentar su tesis doctoral en la
Universidad de Helmstedt. En su tesis Gauss dio la primera demostración del
teorema fundamental del álgebra.
Quizás la obra más importante publicada por Gauss sean las Disquisitiones
Arithmeticae de 1801, con seis secciones dedicadas a la Teoría de números,
dándole a esta rama de las matemáticas una estructura sistematizada. En la
última sección del libro expone su tesis doctoral. Ese mismo año predijo la órbita
del asteroide Ceres aproximando parámetros por mínimos cuadrados. A partir
de aquí las matemáticas puras dejan de ser el único objetivo para Gauss y
comienza a interesarse por la astronomía, dedicándole la mayor parte de su
tiempo durante 20 años. Y no faltándole los detractores que le ridiculizaron por
"malgastar” su tiempo en el cálculo de órbitas de planetas menores.
El 9 de octubre de 1805, un aumento de su pensión permitió que se casara con
Johanna Ostoff. De este feliz matrimonio (Gauss lo considera así en una carta
dirigida a su amigo Wolfgang Bolyai), nacieron tres hijos: José, Minna y Luís, el
primero de los cuales heredó la capacidad de su padre para los cálculos
mentales. Sin embargo 4 años después, con el nacimiento de Luís, su esposa
murió. Al año se volvió a casar con Minna Waldeck, amiga íntima de su
primera mujer, con la que tuvo dos hijos y una hija.