В 1879 году Данилевский приглашается на работу в Ветеринарный институт, где читает лекции по зоофизиологии и гистологии. Через три года к услугам талантливого ученого обращается и Харьковский университет, в 1883 году он становится здесь экстраординарным профессором, а через год полностью переключается на преподавание в университете. Данилевский читал лекции студентам-естественникам по анатомии человека и общей гистологии, а также физиологии животных. Следует сказать, что Данилевский всегда уделял особое внимание изучению животных. Он являлся сторонником эволюционной теории, поэтому сравнительная физиология представлялась ему наукой исключительно важной.
В 1886 году увольняется Иван Петрович Щелков. В качестве нового профессора кафедры физиологии при медицинском факультете он рекомендует лучшего своего ученика, уже известного ученого Василия Яковлевича. Так в декабре того же года Данилевский начинает работу на том факультете, где ему, откровенно говоря, давно было пора занять свое место. Вскоре именно Данилевскому поручают заведование кафедрой физиологии. В своих научных исследованиях и преподавательской работе Василий Яковлевич придерживался нескольких основных принципов, в правильности которых был абсолютно убежден. В первую очередь, это идея о единстве организма с окружающей средой, во-вторых — идея морфологической и физиологической эволюции на основе этого единства. Ученый полагал, что все функции высших организмов до человека включительно — это результат эволюционного развития при решающей роли высших отделов центральной нервной системы на высших этапах филогенеза.
В то же время Данилевский продолжал работы по физиологии и морфологии нервной системы, физиологии и биофизике. Вместе с братом Константином он внес кое-какие усовершенствования в электрофизиологическую аппаратуру. (Данилевского называют пионером электроэнцефалографии.)
Еще одна область привлекает ученого — сравнительная паразитология. Так, Василий Яковлевич внес значительный вклад в изучение такой болезни, как малярия, открыл и изучил ряд новых паразитов крови у птиц. Этими исследованиями он занимался и на приобретенной даче под Харьковом. Здесь он, вообще, больше работал, нежели отдыхал. Кроме паразитологии, ставил опыты гипноза животных, ухаживал за садом. (Данилевский — пионер разведения персиков и винограда в Харьковской области.) В молодости Василий Яковлевич был страстным охотником, но позже осуждал подобные развлечения. Ученый любил музыку и неплохо играл на фортепиано. После революции советская власть предоставила академику новую дачу в Люботине, и здесь он жил в окружении множества прирученных им птиц.
На кафедре физиологии Данилевский принял уже вполне оборудованную Щелковым и его сотрудниками лабораторию. Всем студентам была предоставлена возможность работать в этой лаборатории, но только в 1897 году ему удалось ввести в учебную программу нормальные практические занятия. Одновременно с преподаванием Василий Яковлевич писал большой учебник по физиологии. Каждый год Данилевский выбирал по одному разделу из будущего учебника и читал его студентам более полно, чем остальные, одновременно делая необходимые записи. Эту книгу физиолог закончил, уже оставив преподавание.
Данилевский еще не раз был за границей. Серия опытов по физиологическому действию электричества на расстоянии, поставленных им в Париже в 1897 году, привлекла в стены его лаборатории Мечникова, Ру и других виднейших ученых. Важнейшими программными речами стали выступления Данилевского в 1889 году на съезде Общества русских врачей (называлась она «Душа и природа») и в 1894 году на съезде русских естествоиспытателей и врачей («Чувство и жизнь»). В них Василий Яковлевич поднимал вопрос о возникновении, развитии и сущности психических явлений с позиций естественно-научного материализма. Он постоянно направлял острие своей критики против модного и поощряемого в годы реакции учения о «жизненной силе», так называемой теории «витализма», и, собственно, против учения о душе.
Сейчас очень часто говорят о работах Данилевского по гипнотизму. Еще в 1878 году на заседании Харьковского медицинского общества он сделал свое первое сообщение о результатах наблюдений под гипнозом у лягушки. Он пришел к выводу, что гипнотическое состояние у животных и человека очень сходно по своим проявлениям. Данилевский занимался гипнотизацией речных раков и морских крабов, жаб, змей, ящериц и черепах, кроликов, морских свинок.
В 1888–1891 годах Александр и Василий Данилевские издавали «Физиологические сборники», затем в 1896–1897 годах — «Вестник медицины». Физиолог получил немало премий от ведущих научных учреждений: премию им. Монтьона от Парижской академии наук в 1889 году, премию им. Бэра от Петербургской АН в 1894-м и другие. В 1908 году Совет Харьковского университета присудил ему звание почетного профессора.