Курс в духовном училище был четырехлетний. По окончании второго класса Попов перешел в Екатеринбургское духовное училище и переехал из Далматова в Екатеринбург, где жила его сестра Мария Степановна Левитская (в это же время Рафаил Попов поступил в Петербургский университет). Хотя Екатеринбург не был губернским городом и в административном отношении подчинялся Перми, но в смысле экономическом и культурном он несомненно превосходил губернский центр. К 1870-м годам Екатеринбург насчитывал уже полтора века истории [76]и был переведен из горного ведомства в гражданское [77]. В городе жило большое число людей с высшим образованием, не только работавших в горнозаводской промышленности, но и занимавшихся просветительной деятельностью. Многие из екатеринбургских деятелей того времени интересовались вопросами науки и сами занимались научными исследованиями. В 1870 году по их инициативе было создано Уральское общество любителей естествознания. Это общество выпустило несколько десятков томов своих трудов, многие из которых напечатаны на русском и французском языках [78].
Обеспеченный заботами сестры, Попов мог учиться столь же продуктивно, как и раньше, и через два года закончил курс начального образования. Успехи его в Екатеринбургском училище были столь же блестящими, как и в Далматове; с отметками «5» он перешел в четвертый класс и с таким же баллом окончил училище в 1873 год [79].
Воспитанники духовных училищ имели право поступать в семинарию или «куда пожелают». Однако не все, даже и успешно окончившие эту начальную школу, воспользовались этим правом. Многие, не имея возможности учиться дальше, переходили на гражданскую службу (среди окончивших нередко бывали и великовозрастные), не подвергаясь испытаниям для производства в первый классный чин [80]. Для таких подростков, как Попов, был один путь — в Пермскую семинарию, где в свое время учились и его отец, и его старший брат. Однако успешное окончание духовного училища не давало права поступать в семинарию без экзаменов [81], а требования при этом были выше, чем на выпускных экзаменах. Из тридцати учеников, зачисленных в первый класс (параллельный), только один Попов получил высший балл [82].
Духовные семинарии были учреждены во всех епархиях и с первых лет существования удовлетворяли запросы не только духовного ведомства. Являясь первыми в России средними учебными заведениями, куда принимали детей разных сословий [83], они готовили учащихся и для высшей школы [84], как ни старалось духовное начальство этому воспрепятствовать.
Епархия была учреждена в Перми в 1800 году, вскоре после того, как она стала губернским центром. Вначале при епархии была открыта «цифирная школа», а на ее базе возникла семинария [85], имевшая, таким образом, до поступления в нее Попова длительную историю, полную событий, характерных для русской жизни того времени.
Вместе с духовными училищами семинарии получили в 1867 году новый устав. Он еще смелее был проникнут духом времени. Согласно ему курс обучения занимал шесть лет. В течение первых четырех лет учащиеся проходили, за исключением одного предмета — изъяснение Священного Писания, лишь общеобразовательные дисциплины в объеме средней школы [86]. В соответствии с общим направлением просвещения того времени главное внимание в течение всех четырех лет уделялось древним языкам. Основы грамоты учащиеся получали в духовных училищах, а в семинариях в течение двух лет проходили курс «русской словесности с историей литературы». Кроме того, в первых трех классах изучался один новый иностранный язык: французский или немецкий (по выбору учащихся; Попов занимался французским). Из гуманитарных дисциплин самая большая программа была по всеобщей и русской истории, которая изучалась в первых трех классах. В третьем классе преподавалась логика, а в четвертом — психология и обзор философских учений. Из точных наук преподавались в первых трех классах математика, в последнем — физика [87].