当学校让盖茨选择他喜欢的室友类型时，他要求与一名非裔美国人和一名国际学生同住。他被分配到了威格尔斯沃思楼，这是哈佛中庭旁边的一幢新生宿舍楼。他的一位室友名叫萨姆·兹奈默（Sam Znaimer），是一个科学爱好者，来自蒙特利尔一个贫穷的犹太难民家庭，还有一个是来自查塔努加的黑人学生吉姆·詹金斯（Jim Jenkins）。以前从来不认识上流社会“黄蜂”（白人盎格鲁–撒克逊裔新教徒）的兹奈默发现盖茨非常友善，学习习惯也是又古怪又有趣。他说：“他的习惯是一连学习36个小时甚至更长时间，接着倒头睡上10个小时，然后出门买份比萨，再回来继续学习，哪怕这时候是凌晨3点。”45 他还惊奇地看到盖茨会花好几晚为Traf-O-Data的收入填写联邦税和州税表格。盖茨用功的时候会前后摇摆。学习之余，他会拉兹奈默在宿舍楼的休息厅里疯狂地玩一会儿雅达利的电子游戏《乓》，或者在哈佛的计算机实验室里玩《太空大战》。
这个计算机实验室得名于计算机科学先驱霍华德·艾肯，第二次世界大战期间，艾肯在格雷斯·霍珀的协助下发明了马克一号计算机并对其进行操作。实验室里有盖茨最喜欢的机器：一台DEC生产的PDP–10计算机，这台计算机本来是要在越南作为军用设备使用的，但后来转拨给了哈佛，用来辅助军方资助的研究项目。1969年一个星期天的清晨，这台机器被偷偷搬到了艾肯实验室，以避免引发反战示威。该计算机由美国国防部高等研究计划署（当时简称DARPA）资助，但他们做得很低调，因此并没有什么书面政策规定谁可以使用计算机。实验室里还有许多可以玩《太空大战》的PDP–1计算机。盖茨大学一年级时曾做过一个计算机项目，他把PDP–10和一台PDP–1连接在一起开发电子棒球游戏。他解释说：“逻辑在PDP–10上，但我把它发到了PDP–1上，这样我就可以用同一台显示器玩《太空大战》了，这是一台现在已经见不到的线型图显示器。”46
盖茨会在实验室里待到很晚，编写决定球的弹跳和接球手接球角度的算法。兹奈默说：“他大学一年级时做的项目并没有什么商业目的，主要是出于他对计算机的热爱。”47 负责管理计算机实验室的托马斯·奇塔姆教授对盖茨爱恨参半，他说：“他编程棒极了。”但他也是一颗“老鼠屎”，“是个讨厌的家伙……他会乱打击人，总体来说跟他在一起相处不大愉快。”48
艾伦对盖茨的警告成真了，盖茨确实不是班里最聪明的学生。有一个住在他楼上的新生——来自巴尔的摩的安迪·布雷特曼（Andy Braiterman）数学比盖茨还要好。他们会在布雷特曼的寝室里通宵解题，饿了就吃比萨。布雷特曼还记得：“比尔非常专注”，而且“能言善辩”。49 盖茨会坚称，在不久的将来，所有人都会拥有家庭电脑，可以用来查阅书籍和其他信息。第二年，他和布雷特曼住进了同一间寝室。
盖茨决定主修应用数学而不是纯数学，而他在该领域也做出了一个小小的贡献。在一门由计算机科学家哈里·刘易斯（Harry Lewis）教授的课上，他接触到一个经典数学问题：
我们这里的大厨很马虎，他做出来的一叠煎饼总是大小不一。因此，我把煎饼端给客人之前会调整一下它们的摆放位置（让最小的煎饼放在最上面，越往下越大，最大的放在最下面）。我的调整方法是，从最上面抓起几张煎饼，把它们翻面，并不断重复这一过程（每次翻动的张数不同），直到煎饼的摆放位置正确为止。假设有n张煎饼，要把它们的位置摆放正确，我最多需要翻动多少次[用函数f(n)来表示]？
要想解决这个问题，就需要有一种好的算法，正如任何计算机程序都需要算法一样。刘易斯回忆说：“我在课堂上提了一下这个问题，然后就继续讲解其他问题了。一两天之后，这个聪明的大二学生来到我的办公室，解释说他找到了一种5/3N算法。”换句话说，盖茨找到了一种将这叠煎饼中的每块饼翻动5/3次的算法。刘易斯说：“其中包括针对顶部几块煎饼精确布局的复杂案例分析，非常巧妙。”这门课的助教赫里斯托斯·帕帕季米特里乌（Christos Papadimitriou）后来与盖茨合写了一篇学术论文，发表了对这个问题的解法。50
1974年暑期，即将升入大学二年级的盖茨说服艾伦来到波士顿地区，从事一份霍尼韦尔原本提供给盖茨的工作。于是艾伦从华盛顿州立大学退学，开着他的克莱斯勒一路向东，他力劝盖茨和他一起退学。他的理由是，如果不退学，就会错失计算机革命的良机。两人一起吃比萨的时候会谈谈他们的创业理想。艾伦有一次问盖茨：“如果一切顺利的话，你认为我们会把公司做多大？”盖茨回答说：“我认为我们最多会有35名程序员。”51 但盖茨迫于父母的压力，暂时没有退学。
和许多创新者一样，盖茨也非常叛逆。他决定不去听他注册的任何课程，而只听他没有修的课程。他小心地遵守着这条规则。他回忆说：“为确保自己不违反规则，到大二的时候，我听的都是与我实际课程时间重合的课。我就是这样一个彻头彻尾的叛逆者。”52
他还疯狂地迷上了扑克。他喜欢玩七张牌梭哈（Seven Card Stud），每晚输赢动辄上千美元。盖茨的智商要高于情商，他更善于计算赔率，而不是揣摩其他玩家的心思。布雷特曼说：“比尔非常执着，他只要专注于某种东西就会死死坚持。”他曾把自己的支票簿交给艾伦保管，以防止自己乱花更多钱，但很快又要求艾伦还给他。艾伦说：“他从这场豪赌中获得了惨痛的教训。他一晚上能赢300美元，但第二天晚上又会输掉600美元。比尔那年秋天输了几千美元，他还不断对我说：‘我会好起来的。’”53
在研究生的经济学课上，盖茨认识了一个跟他住在同一层楼的学生。这个学生叫史蒂夫·鲍尔默（Steve Ballmer），从表面上看，他和盖茨很不一样。身材高大、活泼外向的鲍尔默是校园活动家，他喜欢参加和领导多个社团。他是速食布丁俱乐部成员（这个俱乐部的活动是编写和制作音乐舞台剧），他还以啦啦队队长般的热情管理着一支足球队。他既是校园文学杂志《哈佛呼声》（Advocate ）的发行人，又是《哈佛深红报》（Crimson ）的广告经理。他甚至加入了一个老旧的绅士俱乐部，并说服他最好的新朋友盖茨也加入了这个俱乐部。盖茨说：“这是次古怪的经历。”两人都超级专注，这个共同点让他们走到了一起。他们会大声聊天、辩论、切磋，而且都喜欢前后摇晃身体。课余时间，他们会一起看电影。盖茨说：“我们去看了《雨中曲》和《发条橙》，这两部电影唯一的共同点就是用了同一首插曲。之后我们成了超好的朋友。”54
1974年12月，当艾伦带着封面上印有Altair电脑的新一期《大众电子学》来到盖茨位于柯里尔楼的宿舍时，盖茨在哈佛的随性生活突然间被颠覆了，当时他大二刚读了一半。艾伦那句“你瞧，这件事我们竟然没有参与”的召唤让盖茨为之一振，决定行动起来。