當學校讓蓋茨選擇他喜歡的室友類型時，他要求與一名非裔美國人和一名國際學生同住。他被分配到了威格爾斯沃思樓，這是哈佛中庭旁邊的一幢新生宿舍樓。他的一位室友名叫薩姆·茲奈默（Sam Znaimer），是一個科學愛好者，來自蒙特利爾一個貧窮的猶太難民家庭，還有一個是來自查塔努加的黑人學生吉姆·詹金斯（Jim Jenkins）。以前從來不認識上流社會「黃蜂」（白人盎格魯–撒克遜裔新教徒）的茲奈默發現蓋茨非常友善，學習習慣也是又古怪又有趣。他說：「他的習慣是一連學習36個小時甚至更長時間，接著倒頭睡上10個小時，然後出門買份比薩，再回來繼續學習，哪怕這時候是凌晨3點。」45 他還驚奇地看到蓋茨會花好幾晚為Traf-O-Data的收入填寫聯邦稅和州稅表格。蓋茨用功的時候會前後搖擺。學習之餘，他會拉茲奈默在宿舍樓的休息廳裡瘋狂地玩一會兒雅達利的電子遊戲《乓》，或者在哈佛的計算機實驗室裡玩《太空大戰》。
這個計算機實驗室得名於計算機科學先驅霍華德·艾肯，第二次世界大戰期間，艾肯在格雷斯·霍珀的協助下發明了馬克一號計算機並對其進行操作。實驗室裡有蓋茨最喜歡的機器：一台DEC生產的PDP–10計算機，這台計算機本來是要在越南作為軍用設備使用的，但後來轉撥給了哈佛，用來輔助軍方資助的研究項目。1969年一個星期天的清晨，這台機器被偷偷搬到了艾肯實驗室，以避免引發反戰示威。該計算機由美國國防部高等研究計劃署（當時簡稱DARPA）資助，但他們做得很低調，因此並沒有什麼書面政策規定誰可以使用計算機。實驗室裡還有許多可以玩《太空大戰》的PDP–1計算機。蓋茨大學一年級時曾做過一個計算機項目，他把PDP–10和一台PDP–1連接在一起開發電子棒球遊戲。他解釋說：「邏輯在PDP–10上，但我把它發到了PDP–1上，這樣我就可以用同一台顯示器玩《太空大戰》了，這是一台現在已經見不到的線型圖顯示器。」46
蓋茨會在實驗室裡待到很晚，編寫決定球的彈跳和接球手接球角度的算法。茲奈默說：「他大學一年級時做的項目並沒有什麼商業目的，主要是出於他對計算機的熱愛。」47 負責管理計算機實驗室的托馬斯·奇塔姆教授對蓋茨愛恨參半，他說：「他編程棒極了。」但他也是一顆「老鼠屎」，「是個討厭的傢伙……他會亂打擊人，總體來說跟他在一起相處不大愉快。」48
艾倫對蓋茨的警告成真了，蓋茨確實不是班裡最聰明的學生。有一個住在他樓上的新生——來自巴爾的摩的安迪·佈雷特曼（Andy Braiterman）數學比蓋茨還要好。他們會在佈雷特曼的寢室裡通宵解題，餓了就吃比薩。佈雷特曼還記得：「比爾非常專注」，而且「能言善辯」。49 蓋茨會堅稱，在不久的將來，所有人都會擁有家庭電腦，可以用來查閱書籍和其他信息。第二年，他和佈雷特曼住進了同一間寢室。
蓋茨決定主修應用數學而不是純數學，而他在該領域也做出了一個小小的貢獻。在一門由計算機科學家哈里·劉易斯（Harry Lewis）教授的課上，他接觸到一個經典數學問題：
我們這裡的大廚很馬虎，他做出來的一疊煎餅總是大小不一。因此，我把煎餅端給客人之前會調整一下它們的擺放位置（讓最小的煎餅放在最上面，越往下越大，最大的放在最下面）。我的調整方法是，從最上面抓起幾張煎餅，把它們翻面，並不斷重複這一過程（每次翻動的張數不同），直到煎餅的擺放位置正確為止。假設有n張煎餅，要把它們的位置擺放正確，我最多需要翻動多少次[用函數f(n)來表示]？
要想解決這個問題，就需要有一種好的算法，正如任何計算機程序都需要算法一樣。劉易斯回憶說：「我在課堂上提了一下這個問題，然後就繼續講解其他問題了。一兩天之後，這個聰明的大二學生來到我的辦公室，解釋說他找到了一種5/3N算法。」換句話說，蓋茨找到了一種將這疊煎餅中的每塊餅翻動5/3次的算法。劉易斯說：「其中包括針對頂部幾塊煎餅精確佈局的複雜案例分析，非常巧妙。」這門課的助教赫裡斯托斯·帕帕季米特裡烏（Christos Papadimitriou）後來與蓋茨合寫了一篇學術論文，發表了對這個問題的解法。50
1974年暑期，即將升入大學二年級的蓋茨說服艾倫來到波士頓地區，從事一份霍尼韋爾原本提供給蓋茨的工作。於是艾倫從華盛頓州立大學退學，開著他的克萊斯勒一路向東，他力勸蓋茨和他一起退學。他的理由是，如果不退學，就會錯失計算機革命的良機。兩人一起吃比薩的時候會談談他們的創業理想。艾倫有一次問蓋茨：「如果一切順利的話，你認為我們會把公司做多大？」蓋茨回答說：「我認為我們最多會有35名程序員。」51 但蓋茨迫於父母的壓力，暫時沒有退學。
和許多創新者一樣，蓋茨也非常叛逆。他決定不去聽他註冊的任何課程，而只聽他沒有修的課程。他小心地遵守著這條規則。他回憶說：「為確保自己不違反規則，到大二的時候，我聽的都是與我實際課程時間重合的課。我就是這樣一個徹頭徹尾的叛逆者。」52
他還瘋狂地迷上了撲克。他喜歡玩七張牌梭哈（Seven Card Stud），每晚輸贏動輒上千美元。蓋茨的智商要高於情商，他更善於計算賠率，而不是揣摩其他玩家的心思。佈雷特曼說：「比爾非常執著，他只要專注於某種東西就會死死堅持。」他曾把自己的支票簿交給艾倫保管，以防止自己亂花更多錢，但很快又要求艾倫還給他。艾倫說：「他從這場豪賭中獲得了慘痛的教訓。他一晚上能贏300美元，但第二天晚上又會輸掉600美元。比爾那年秋天輸了幾千美元，他還不斷對我說：『我會好起來的。』」53
在研究生的經濟學課上，蓋茨認識了一個跟他住在同一層樓的學生。這個學生叫史蒂夫·鮑爾默（Steve Ballmer），從表面上看，他和蓋茨很不一樣。身材高大、活潑外向的鮑爾默是校園活動家，他喜歡參加和領導多個社團。他是速食布丁俱樂部成員（這個俱樂部的活動是編寫和製作音樂舞台劇），他還以啦啦隊隊長般的熱情管理著一支足球隊。他既是校園文學雜誌《哈佛呼聲》（Advocate ）的發行人，又是《哈佛深紅報》（Crimson ）的廣告經理。他甚至加入了一個老舊的紳士俱樂部，並說服他最好的新朋友蓋茨也加入了這個俱樂部。蓋茨說：「這是次古怪的經歷。」兩人都超級專注，這個共同點讓他們走到了一起。他們會大聲聊天、辯論、切磋，而且都喜歡前後搖晃身體。課餘時間，他們會一起看電影。蓋茨說：「我們去看了《雨中曲》和《發條橙》，這兩部電影唯一的共同點就是用了同一首插曲。之後我們成了超好的朋友。」54
1974年12月，當艾倫帶著封面上印有Altair電腦的新一期《大眾電子學》來到蓋茨位於柯裡爾樓的宿舍時，蓋茨在哈佛的隨性生活突然間被顛覆了，當時他大二剛讀了一半。艾倫那句「你瞧，這件事我們竟然沒有參與」的召喚讓蓋茨為之一振，決定行動起來。