Но медицинская практика мало интересовала Омара, и он решил продолжить образование. Хайям занимался у известного деятеля мусульманской культуры Сабита ибн Курры. Известно, что еще во время пребывания в Нишапуре он изучил труды греческих математиков и прочитал перевод знаменитых «Начал» Евклида.

Детство Хайяма пришлось на жестокий период сельджукского завоевания Центральной Азии. Погибло множество людей, в том числе значительная часть учёных. Позже в предисловии к своей «Алгебре» Хайям напишет горькие слова: "Мы были свидетелями гибели ученых, от которых осталась небольшая многострадальная кучка людей. Суровость судьбы в эти времена препятствует им всецело отдаться совершенствованию и углублению своей науки. Большая часть тех, которые в настоящее время имеют вид ученых, одевают истину ложью, не выходя в науке за пределы подделки и лицемерия. И если они встречают человека, отличающегося тем, что он ищет истину и любит правду, старается отвергнуть ложь и лицемерие и отказаться от хвастовства и обмана, они делают его предметом своего презрения и насмешек."

В возрасте шестнадцати лет Хайям пережил первую в своей жизни утрату: во время эпидемии умер его отец, а потом и мать. Омар продал отцовский дом и мастерскую и отправился в Самарканд. В то время это был признанный на Востоке научный и культурный центр.

В Самарканде Хайям поступает вначале учеником одного из медресе, но после нескольких выступлений на диспутах он настолько поразил всех своей ученостью, что его сразу же сделали наставником.

Как и другие крупные ученые того времени, Омар не задерживался подолгу в каком-то городе. Всего через четыре года он покинул Самарканд и переехал в Бухару, где начал работать в хранилищах книг. За десять лет, что ученый прожил в Бухаре, он написал четыре фундаментальных трактата по математике. С группой учёных разработал солнечный календарь — намного точнее Григорианского.

В 1074 году его пригласили в Исфахан, центр государства Санджаров, ко двору султана Малик-шаха. По инициативе главного шахского визиря Омар становится духовным наставником Султана. Кроме того, Малик-шах назначил его руководителем дворцовой обсерватории, одной из крупнейших.

Он не только продолжал занятия математикой, но и стал известным астрономом. Однако в 1092 году, со смертью покровительствовавшего ему сельджукского султана Малик-шаха и его визиря Низам ал-Мулка его исфаханский период заканчивается. Обвинённый в безбожном вольнодумстве, поэт вынужден покинуть сельджукскую столицу. О последних часах жизни Хайяма известно со слов его младшего современника — Бехаки, ссылающегося на слова зятя поэта. «Однажды во время чтения „Книги об исцелении" Абу Али ибн Сины Хайям почувствовал приближение смерти (а было тогда ему уже за восемьдесят). Остановился он в чтении на разделе, посвященном труднейшему метафизическому вопросу и озаглавленному „Единое во множественном", заложил между листов золотую зубочистку, которую держал в руке, и закрыл фолиант. Затем он позвал своих близких и учеников, сделал завещание и после этого уже не принимал ни пищи, ни питья. Исполнив молитву на сон грядущий, он положил земной поклон и, стоя на коленях, произнес: „Боже! По мере своих сил я старался познать Тебя. Прости меня! Поскольку я познал Тебя, поскольку я к тебе приблизился". С этими словами на устах Хайям и умер». Также есть свидетельство о последних годах жизни поэта оставленное автором «Четырех бесед»: «В году 1113 в Балхе, на улице Работорговцев, в доме Абу Саида Джарре остановились ходжа имам Омар Хайям и ходжа имам Музаффар Исфизари, а я присоединился к услужению им. Во время пира я услышал, как Доказательство Истины Омар сказал: „Могила моя будет расположена в таком месте, где каждую весну ветерок будет осыпать меня цветами". Меня эти слова удивили, но я знал, что такой человек не станет говорить пустых слов. Когда в 1136 я приехал в Нишапур, прошло уже четыре года с тех пор, как тот великий закрыл свое лицо покрывалом земли, и низкий мир осиротел без него. И для меня он был наставником. В пятницу я пошел поклониться его праху взял с собой одного человека, чтобы он указал мне его могилу. Он привел меня на кладбище Хайре, повернул на лево у подножия стены, огораживающей сад, увидел его могилу. Грушевые и абрикосовые деревья свесились из этого сада и, распростерши над могилой цветущие ветви, всю могилу его скрывали под цветами. И пришли мне на память те слова, что я слышал от него в Балхе, и я разрыдался, ибо на всей поверхности земли и в странах Обитаемой четверти я не увидел бы для него более подходящего места. Бог, святой и всевышний, да уготовит ему место в райских кущах милостью своей и щедростью!»