עם סיום הלימודים החל צ'ייקובסקי לעבוד במשרד המשפטים הרוסי בתור עוזר זוטר. הוא לא הצטיין בעבודה, והתשוקה למוזיקה הניעה אותו בגיל 23 להתפטר מעבודתו ולהתחיל את לימודיו בקונסרבטוריון של סנקט פטרבורג. בהדרכתו של המלחין אנטון רובינשטיין למד הלחנה והפך במהרה לאחד מתלמידיו המצטיינים. צ'ייקובסקי העריץ את רובינשטיין, על אף החיכוכים הרבים שהתעוררו ביניהם על רקע ביקורתו של המורה כלפי יצירות התלמיד. באחת משנות לימודיו היה אמור צ'ייקובסקי להגיש עבודת סיום, יצירה לתזמורת. צ'ייקובסקי כתב את הפתיחה "הסופה" למחזה מאת אוסטרובסקי, אך לא הגיש את היצירה ישירות לרובינשטיין, משום שהוסיף ליצירה כלים שהיו בזויים בעיני המורה, כגון קרן אנגלית, נבל ועוד. אנטון רובינשטיין היה שמרן בדעותיו, וזאת ניתן לראות ביצירותיו המבוססות על המבנים הקלאסיים. יתרה מזאת, הוא ביסס את תזמור יצירותיו על מבנה התזמורת הבטהובנית אשר התפתחה והתרחבה במשך השנים. צ'ייקובסקי, שחשש מתגובתו של רובינשטיין, ניצל את מחלתו באותו זמן ושלח אליו את היצירה עם חברו ללימודים וידידו הקרוב, הרמן לארוש, וזעמו של רובינשטיין ניתך על מביא היצירה כאילו היה הוא מחברה.
מתחילת דרכו הייתה לצ'ייקובסקי שפה תזמורתית משלו, שהתאפיינה בהבנה מעמיקה בגוני הקולות התזמורתיים. הוא היה מתזמר מעולה, שתזמורו מצטיין בברק ומעיד על מיומנותו בטיפול בכלים לגוניהם השונים ובשילוביהם.
עם סיום לימודיו בשנת 1865 עבר לעבוד כמוֹרה בקונסרבטוריון החדש שהקים הפסנתרן ניקולאי רובינשטיין (אחיו של אנטון) במוסקבה, שם הלחין את יצירותיו הרציניות הראשונות, כמו הסימפוניה הראשונה "חלומות של חורף", ואת האופרה הראשונה שלו "וויוודה". את הסימפוניה הזו, שהיא גם יצירתו הראשונה לתזמורת בפורמט גדול, התחיל צ'ייקובסקי לכתוב במרץ 1866. צ'ייקובסקי דחף את עצמו לקצה גבול היכולת בחיבור סימפוניה זו, שעליה עבד בשעות הלילה המאוחרות. כאשר החל לתזמר את היצירה ביוני אותה שנה, התמוטט רגשית וסבל מהתמוטטות עצבים קשה. הדרישות לשלמות שהציב לעצמו גבו את מחירן ולכל אורך כתיבת הסימפוניה היה צ'ייקובסקי אחוז פחדים שמא ימות ולא יספיק לסיים אותה. לאחר שהתאושש וסיים את הסימפוניה, הגיש אותה לבדיקה והמלצות לאנטון רובינשטיין. רובינשטיין לא אישר את היצירה ודרש שינויים נרחבים. צ'ייקובסקי שב ללא דיחוי אל המלאכה ושינה בהתאם להמלצות. בביצוע הבכורה של הסימפוניה בסנקט פטרבורג בוצעו רק הפרק השני והשלישי. המנצח ניקולאי רובינשטיין לא קיבל את הסימפוניה, בעיקר לא את הפרקים הראשון והאחרון. על אף הכותרת "חלומות של חורף" אין זו סימפוניה תוכניתית ושמה מבטא הלך רוח ותחושות שהניעו את צ'ייקובסקי בכתיבתה. על אף המלעיזים, כי צ'ייקובסקי נקט בכתיבתו אופי "מערבי" או "גרמני" מדי, הפרק הראשון מבוסס על שתי מנגינות עם רוסיות. גם לפרק השני כתב צ'ייקובסקי מנגינה בסגנון מוזיקה רוסית עממית. הפרק השלישי "סקרצו" מבוסס על סונאטה בדו דיאז מינור לפסנתר, אשר נכתבה שנה לפני כן. השפעת מנדלסון ושומאן ניכרת בפרק זה. יחד עם זאת, החלק המרכזי, הכתוב בקצב הואלס, אופייני לצ'ייקובסקי ומבשר את בוא הואלסים, שכתב בבאלטים ובאופרות שלו. את הפרק האחרון של הסימפוניה מבסס צ'ייקובסקי על שיר עם רוסי ידוע באותם ימים, "פריחת הפרחים". כבר ביצירה זו ניתן לראות, שיכולת התיזמור של צ'ייקובסקי התפתחה והבשילה לחלוטין, על אף גילו הצעיר.
בשנת 1867 בילה המלחין את הקיץ בעיר האפסלו שבאסטוניה וכתב מחזור לפסנתר בשם "מזכרת מהאפסל" (Souvenir de Hapsal op. 2).
בשנת 1868 כתב צ'ייקובסקי פואמה סימפונית, "גורל", אופוס 77 בדו מינור. נושא "הגורל" רדף את צ'ייקובסקי כל חייו. הוא לא נתן הסברים לשם היצירה או למניעים לכתיבתה. לקראת ביצוע הבכורה, תחת שרביטו של ניקולאי רובינשטיין, חשש המנצח, שללא הסבר יתקשו המאזינים להתחבר ליצירה ולהלך הרוח והרגשות שבה. צ'ייקובסקי נעתר לרובינשטיין ושירבט כמה מילים שעלו בדעתו בדף הראשון של הפרטיטורה, שבינן ובין היצירה אין כל קשר: "היצירה מתארת את לידתו, חייו ומותו של בן אדם, אשר כל חייו היה עבד". הפואמה הסימפונית "גורל" הייתה ניסיון ראשון של צ'ייקובסקי לחרוג מהמקובל, ליצור מבנה עצמאי ליצירה פרי עטו ולהתרחק ככל האפשר ממבנה הסונאטה המקובל. מכיוון שצ'ייקובסקי כבר לא היה תלמיד בקונסרבטוריון, כתב יצירה זו לתזמורת גדולה מאוד יחסית לאותם ימים. משוחרר מן החשש לתגובת מנהל הקונסרבטוריון, הוסיף נבל, קרן אנגלית, חצוצרה שלישית, תוף גדול, מצלתיים, גונג ומשולש ותפקיד לפיקולו. כבר ביצירה זו ניתן לשמוע את התיזמור של צ'ייקובסקי במלוא עצמתו ובגרותו, את שפתו המיוחדת בהצגת הנושאים ואת המלודיות הנוגעות ללב. על אף זאת, חוש המידה של צ'ייקובסקי לא תמיד היה במיטבו וגם ביצירה זו גולשת לעיתים היצירה לבומבסטיות בשל תיזמור מסיבי ביותר. צ'ייקובסקי הקדיש את היצירה למלחין באלאקירב, שלא היה מרוצה מהתוצר הסופי. צ'ייקובסקי סבר תחילה שזו היצירה הטובה ביותר שכתב עד כה, אך לאחר מכתב הביקורת של באלאקירב, קיבל את דעתו והחליט להשמיד את הפרטיטורה, בכוונה לכתוב אותה מחדש באחד הימים. הפרטיטורה הושמדה, אך לרוע מזלו של צ'ייקובסקי, לאחר ביצוע הבכורה, אשר לא נחל הצלחה רבה, הוא לא השמיד את התפקידים הנפרדים של כל כלי וכלי; אלה התגלו לאחר מותו ומהם שוחזרה פרטיטורה מלאה והוצאה לאור כאופוס 77.
ב-1868 הכיר צ'ייקובסקי את זמרת האופרה הבלגית דזירה ארטו והתאהב בה בלהט רב. השניים התארסו, אך מקורביהם, משני הצדדים, לא היו שלמים עם רעיון נישואיהם. ידידיו של צ'ייקובסקי הזהירו אותו, כי לאחר נישואיהם סופו שייגרר אחריה במסעות על פני אירופה, יאבד את מעמדו ואת המוניטין שלו כמלחין ויהיה ידוע כ"בעלה של הזמרת". אמה של ארטו חששה, פן תחליט בתה להשתקע ברוסיה. בסופו של דבר, בעוד הוא מאמין כי הם עתידים להינשא בסופו של דבר, נודע לצ'ייקובסקי מפי ניקולאי רובינשטיין, כי דזירה ארטו נישאה בוורשה לזמר בריטון ספרדי בשם מריאנו פאדילה אי ראמוס. צ'ייקובסקי הצהיר אומנם כי ארטו היא האישה היחידה שאהב מעודו וראה עצמו נפגע מהתנהגותה, אך התאושש תוך זמן קצר והמשיך לקיים יחסי ידידות עם הזמרת.
בעת שהותו במוסקבה הכיר גם את המלחינים רימסקי-קורסקוב ובאלאקירב. (בעקבות היכרות זו נוצר קשר בין צ'ייקובסקי לבאלאקירב, שהציע לו בהמשך לכתוב פתיחה המבוססת על המחזה רומיאו ויוליה מאת שייקספיר.) השניים הובילו אסכולה של מוזיקה רוסית מקורית, שכללה מלבדם את המלחינים אלכסנדר בורודין, מודסט מוסורגסקי וצזאר קואי, חברים בקבוצה שנקראה "החמישה". קבוצה זו דגלה בניתוק מן ההשפעות המוזיקליות הגרמניות־אוסטריות. השפעות מוזיקליות כגון אלו, לטענתם, ניכרו בסגנון הכתיבה של צ'ייקובסקי. אפשר אומנם להגיד, שהמוזיקה של צ'ייקובסקי שייכת באופן כללי לאסכולה הזאת - הוא העריץ במיוחד את מוצרט, שאותו כינה "ישו של המוזיקה", ואת שומאן, שהמוזיקה שלו ליוותה אותו בילדותו ובנעוריו. הוא הושפע מאוד גם ממלחינים צרפתיים כמו ביזה ואופנבך, אולם ניכר בו סגנון אישי מיוחד עם מאפיינים רוסיים, גם אם המוזיקה שלו איננה לאומית או שורשית בצורה עמוקה כמו יצירותיהם של בורודין, מוסורגסקי, גלינקה ורימסקי־קורסקוב. בתגובה לטענות של רימסקי־קורסקוב ובאלאקירב, הלחין צ'ייקובסקי את הסימפוניה השנייה שלו, המכונה "רוסית הקטנה" (צריך להיות: "האוקראינית", שכן "רוסיה הקטנה" היה כינויה של אוקראינה באותם הימים) והמשופעת בלחנים עממיים רוסיים ואוקראיניים. אף על פי כן, גם בסימפוניה זו ניכרת ההשפעה של שומאן ומוצרט, אף כי ניתן לשמוע בה את שפתו הייחודית של צ'ייקובסקי.
בתקופה זו החל צ'ייקובסקי, במקביל לעבודתו כמורה וכמלחין, לכתוב ביקורת מוזיקה בעיתון מקומי, כדי להגדיל את הכנסותיו.