Ивану, сыну торговца, надлежало продолжить дело отца — но, по свидетельству биографов, «сердце у него как-то не лежало к сему промыслу». Его занимала механика во всех проявлениях, до которых он мог дотянуться, и в свободное время он вырезал из дерева замысловатые игрушки: мельницы-толчеи, флюгера, модели кораблей. Однажды увлечения пригодились в хозяйстве: с помощью системы плотин он провёл воду от близлежащего ключа к семейному пруду, сделав воду в нём проточной и пригодной для разведения рыбы. В семье его, впрочем, не понимали: Кулибин-старший бранился и даже бил сына за занятия, которые ему казались бессмысленными.
Улучив минутку, будущий изобретатель забирался на колокольню Рождественской церкви и разглядывал механизм больших башенных часов, на тот момент считавшихся большой диковинкой — они играли музыку, показывали не только время, но и положение небесных светил. Чем дольше он вглядывался в движение деталей, тем яснее становилось: устройство часов останется загадкой, пока он не возьмётся за науку всерьёз. Его образование, полученное от местного дьячка, ограничивалось умением читать, писать и считать. Чтение книг в целом было нехарактерно для нижегородских мещан. Достать подходящую литературу было трудно, времени не хватало — но Кулибин, вдохновляясь примером Ломоносова, другого знаменитого самоучки и простолюдина, читал книги по механике и постигал точные науки.