พ.ศ. ๒๓๖๕ (ปีมะเมียจัตวาศก จุลศักราช ๑๑๘๔) เมื่อพระชนมายุได้ ๑๓ พรรษา ทรงผนวชเป็นสามเณร โดยมีสมเด็จพระสังฆราช (มี) เป็นพระอุปัชฌาย์ เสด็จอยู่วัดมหาธาตุยุวราชรังสฤษฎิ์ ทรงศึกษามูลกัจจายน์อยู่ในสำนักพระญาณสมโพธิ์ (รอด) ชำนิชำนาญได้ใล่สูตรมูลในที่ประชุมอาจารย์ที่พระราชวังเดิมในพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว แต่ครั้งยังดำรงพระอิสริยยศเป็นสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอกรมหมื่นเจษฎาบดินทร์ เมื่อทรงผนวชเป็นสามเณรได้ ๔ พรรษา ทรงประชวรด้วยไขทรพิษ จึงทรงลาผนวชออกไปรักษาพระองค์ชั่วคราว ครั้นหายประชวรแล้ว กรมพระราชวังบวรมหาศักดิพลเสพ ทรงจัดการให้ทรงผนวชเป็นสามเณรอีกครั้งหนึ่ง ทรงผนวชเป็นสามเณรอยู่จนพระชนมายุครบอุปสมบท

พ.ศ. ๒๓๗๒ เมื่อพระชนมายุ ๒๐ พรรษา ครบอุปสมบท พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว โปรดให้ลาผนวชออกไปสมโภชตามราชประเพณี แล้วแห่พร้อมด้วยสมเด็จพระบรมวงศ์เธอ ชั้น ๒ เจ้าฟ้าอาภรณ์ที่จะทรงผนวชเป็นสามเณรในเวลานั้น  ในการทรงผนวชเป็นพระภิกษุนั้น สมเด็จพระสังฆราช (ด่อน)  เป็นพระอุปัชฌาย์ และสมเด็จพระมหาสมณเจ้า กรมพระปรมานุชิตชิโนรส ขณะทรงดำรงพระอิสริยยศ เป็นกรมหมื่นนุชิตชิโนรส กับพระวินัยรักขิต วัดมหาธาตุยุวราชรังสฤษฎิ์ เป็นพระกรรมวาจาจารย์ เมื่อวันศุกร์ขึ้น ๑๐ ค่ำ เดือน ๘ ปี ฉลู เอกศก จุลศักราช ๑๑๙๑ พุทธศักราช ๒๓๗๒ ได้รับฉายาว่า "ปญฺญาอคฺโค" เมื่อทรงผนวชเป็นพระภิกษุแล้ว ได้ทรงศึกษาพระธรรมวินัยในสำนักของพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าฯ ทรงพระเจริญพระชนมายุกว่า ๕ พรรษา) ซึ่งทรงผนวชอยู่ ณ วัดมหาธาตุยุวราชรังฤษฎิ์นั้นเช่นกัน

สมเด็จพระมหาสมณเจ้า กรมพระยาปวเรศวริยาลงกรณ์ ทรงศึกษาพระปริยัติธรรมจนทรงแตกฉานในภาษาบาลี แต่ไม่ทรงเข้าสอบเพื่อเป็นเปรียญ พระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัวได้พระราชทานพัดยศสำหรับเปรียญเอก ที่เคยพระราชทานแด่พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าฯ เมื่อครั้งยังมิได้ทรงเป็นพระราชาคณะให้ทรงถือเป็นเกียรติยศ สืบมา พระนิพนธ์อันเป็นเครื่องแสดงถึงพระปรีชาสามารถในภาษาบาลีของพระองค์ก็คือ พระนิพนธ์เรื่อง สุคตวิทัตถิวิธานซึ่งทรงนิพนธ์เป็นภาษาบาลีว่าด้วยเรื่องการวิเคราะห์คืบพระสุคตอันเป็นมาตราวัดที่มีกล่าวถึงในทาง พระวินัย นอกจากนี้ ก็ได้ทรงนิพนธ์เรื่องเบ็ดเตล็ดอื่นๆ เป็น ภาษาบาลีไว้อีกหลายเรื่อง นับว่าทรงเป็นปราชญ์ทาง ภาษาบาลีที่สำคัญพระองค์หนึ่งในยุครัตนโกสินทร์