1918年8月，为了筹组赴法勤工俭学活动，毛泽东第一次来到北京。经杨昌济介绍被安排在由李大钊兼主任的北京大学图书馆当助理员。
毛泽东在图书馆的工作地点是第二阅览室，也叫“日报阅览室”或“新闻报纸阅览室”，具体负责登记新到报刊和来阅览人姓名，管理15种中外文报纸。毛泽东在这里的工作平凡琐碎，每月月薪8块银元。1936年毛泽东向斯诺曾谈到他在图书馆当助理员的情况：“我的职位低微，大家都不理我。我的工作中有一项是登记来图书馆读报的人的姓名，可是对他们大多数人来说，我这个人是不存在的。在那些来阅览的人当中，我认出了一些有名的新文化运动头面人物的名字，如傅斯年、罗家伦等等，我对他们极有兴趣。我打算去和他们攀谈政治和文化问题，可是他们都是些大忙人，没有时间听一个图书馆助理员说南方话。”但是，管理报刊之便，毛泽东有机会阅读了大量新出版的报纸杂志，汲取了许多新知识。当时，北京大学是全国新文化运动的中心，各种思潮在这里传播，各种学术团体如雨后春笋，一些新文化运动的领袖人物如陈独秀、李大钊、鲁迅、胡适等都曾在这里任教。这些给毛泽东以极大的吸引力。他利用北京大学的有利条件，经常去听他所感兴趣的课，还参加了北京大学哲学研究会、新闻学研究会。在参加这些研究会的活动中，他认识了陈公博、谭平山、邵飘萍等人，尤其是邵飘萍对他帮助很大。邵飘萍当时任《京报》总编辑，新闻学研究会的讲师。毛泽东曾在新闻学研究会听他讲《新闻工作的理论与实践》课程，还多次拜访邵飘萍，在新闻理论知识方面得到邵飘萍的许多教益，这对他后来回湘主编《湘江评论》等刊物，产生了积极的影响。
毛泽东除经常拜访杨昌济、黎锦熙之外，还拜访了陈独秀、胡适、蔡元培等知名人士，同他们讨论新思潮等各种问题。并曾与在京的新民学会会员分别邀请蔡元培、陶孟和、胡适等谈学术和人生问题，以求开阔眼界，增长知识。当时，毛泽东对政治的兴趣不断增长，思想也越来越激进。他读了一些关于无政府主义的小册子，很受影响，常常和一个名叫朱谦之的同学讨论无政府主义和它在中国的前景，并赞同工读主义等许多无政府主义的主张。但是，这时对他的思想发生直接影响的是李大钊，李大钊从日本留学归国后，于1917年冬受聘北京大学，接替章士钊为图书馆主任。李大钊任图书馆主任后，积极扩充宣传新文化、新思想的书籍，包括许多马克思主义的书籍。不少激进的学生常到图书馆来请他介绍宣传新思想的书籍，和他讨论、研究各种思潮，其中也包括马克思主义。毛泽东来到北京时，李大钊已接受了马克思主义，并在积极传播马克思主义，因此，在李大钊领导下的北京大学图书馆，实际上成了北京大学校内一个研究、传播马克思主义的中心。毛泽东在北京大学图书馆当助理员，自然直接受到李大钊的影响。他有机会到李大钊处请教，并及时地阅读了李大钊发表的《庶民的胜利》、《布尔什维主义的胜利》等歌颂俄国十月革命和宣传马克思主义的文章。他还参加了李大钊等组织的研究各种新思潮的学生活动。他开始逐步清除无政府主义思潮的影响，放弃了许多他原来赞成的无政府主义主张。1936年毛泽东曾对斯诺回忆说：
“我在李大钊手下在国立北京大学当图书馆助理员的时候，就迅速地朝着马克思主义的方向发展”。
毛泽东在北京大学图书馆工作期间，一面认真工作、勤奋学习，一面积极组织湖南学生开展赴法勤工俭学活动。当时湖南赴法勤工俭学的青年，有一部分被安排到设在长辛店铁路工厂的留法预备班，进行半工半读。毛泽东为了筹办这批青年的赴法路费，曾于这年冬季来到长辛店铁路机车车辆厂，并对工厂进行了调查。他深入了解工厂和工人的生产和生活状况，在职工中寻东问西，从生产细节到工厂经营范围、方针，从整个工厂的收益到职工们的个人生活，做了详尽的调查。这是毛泽东第一次细致地调查现代产业工厂和深入地接触众多的产业工人，对促进他向马克思主义转变具有重大的意义。
这期间，他还参加了邓中夏等进步青年组织的北京大学平民教育讲演团，并同邓中夏、罗章龙等一些进步青年保持着密切的联系。
1919年3月12日，毛泽东偕同一批准备赴法的湖南青年离开北京，于14日到达上海。在上海的20多天中，他参加了两次赴法勤工俭学生的欢送会，两次到码头送别。
4月6日，毛泽东从上海回到了长沙。此后，他“就更加直接地投身到政治中去”。经过五四运动的战斗洗礼，毛泽东的思想观念迅速地向马克思主义方向发展。在他撰写的《湘江评论》创刊宣言、《民众的大联合》、《陈独秀之被捕及营救》等许多文章中，歌颂俄国十月革命的胜利，批判帝国主义和封建主义，号召民众联合起来进行改革和斗争，宣传冲破迷信和传统的束缚等，因而得到各方面的好评。
为了公开揭露张敬尧的罪行，争取全国各界对驱张运动的赞同和支持，毛泽东率领驱张代表团于12月18日抵达北京。这是他第二次来北京。
毛泽东在北京组织驱张活动的同时，阅读了许多介绍俄国情况的书刊，并热心地搜寻和研读当时所能找到的为数不多的用中文撰写或翻译的共产主义书籍。他还同正在北京大学秘密建立马克思学说研究会的李大钊、邓中夏等密切联系，用心阅读他们介绍的马克思主义的书刊。这时，毛泽东较多地受到马克思主义理论和俄国革命历史的影响，对社会历史的发展有了比较正确的理解。
这次在北京，毛泽东于1920年1月加入由李大钊、王光祈等人发起成立的少年中国学会。
这是五四时期的著名社团。宗旨为：本科学的精神，为社会的活动，以创造“少年中国”。学会的信条是：奋斗、实践、坚忍、俭朴。后来成为共产党员的张闻天、邓中夏、恽代英、高君宇、赵世炎、黄日葵、田汉等，都曾是这个学会的会员。
1920年4月11日，毛泽东离开北京，到上海继续做驱张工作。他5月初到上海，并在上海活动了将近3个月。这期间，他同陈独秀多次会晤，讨论过自己读过的马克思主义书籍以及组织湖南改造促进会的计划。当时，陈独秀在上海成立了马克思主义研究会，并正在筹建上海共产主义小组，为建立中国共产党作思想上和组织上的准备。毛泽东后来对斯诺谈到他在上海同陈独秀的交往，说：“陈独秀谈他自己的信仰的那些话，在我一生中可能是关键性的这个时期，对我产生了深刻的印象。”并认为：“他对我的影响也许超过其他任何人”。
毛泽东自己曾说：“记得我在1920年，第一次看了考茨基著的《阶级斗争》，陈望道翻译的《共产党宣言》和一个英国人作的《社会主义史》，我才知道人类自有史以来就有阶级斗争，阶级斗争是社会发展的原动力，初步地得到认识问题的方法论。可是这些书上，并没有中国的湖南、湖北，也没有中国的蒋介石和陈独秀。我只取了它四个字：‘阶级斗争’，老老实实地来开始研究实际的阶级斗争。”毛泽东说：“我一旦接受了马克思主义是对历史的正确解释以后，我对马克思主义的信仰就没有动摇过。……到了1920年夏天，在理论上，而且在某种程度的行动上，我已成为一个马克思主义者了，而且从此我也认为自己是一个马克思主义者了。”
