En 1646, la famille Pascal se convertit à un christianisme plus austère, marqué par la spiritualité de Jean Duvergier de Hauranne, abbé de Saint-Cyran, tandis que le jansénisme faisait déjà l'objet, depuis 1641, de premières condamnations. En 1646, il lut Jansénius.

En 1646 également, Pascal procéda à de premières expériences sur le vide, qu'il poursuivit en 1647 avec son père et Florin Périer, le mari de sa sœur Gilberte, puis il profita du retour de la famille à Paris pour les refaire du haut de la tour Saint-Jacques en 1648; il publia Expériences nouvelles touchant le vide en 1647 et Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs en 1648. En 1647, Descartes aurait rendu visite à Pascal à propos de ces expériences.

Le père de Pascal mourut en 1651. En 1652, Jacqueline Pascal entra à Port-Royal. Pascal fit don de sommes importantes à l'abbaye. Pascal poursuivit ses travaux scientifiques et mena alors une période de vie mondaine, avec notamment le moraliste Antoine Gombaud (1607-1684), chevalier de Méré — auteur probable du Discours sur les passions de l'amour (1652), attribué longtemps à tort à Pascal — et le riche Damien Mitton, dont on peut présumer qu'ils seront la première cible de l'Apologie de la religion chrétienne, destinée aux libertins. Cette période s'acheva le 23 novembre 1654 avec la nuit dite du Mémorial, nuit durant laquelle il connut une illumination mystique qu'il consigna sur une page (le Mémorial) qu'il conserva cousue dans son pourpoint : «Certitude, certitude, sentiment, joie, paix. Joie, joie, joie, pleurs de joie».

Défense de Port-Royal : polémiques et apologétique

En 1655-1656, Pascal fit donc deux retraites aux Granges de Port-Royal-des-Champs, rédigea l'Abrégé de la Vie de Jésus-Christ, l'Entretien avec Monsieur de Saci sur Épictète et Montaigne, et prit part à la querelle qui opposait les jansénistes à la Sorbonne et aux jésuites en rédigeant les Provinciales (lettres fictives adressées à un ami provincial),