Сразу по возвращении Вернадский был назначен руководителем кафедры минералогии физико-математического факультета Московского университета и вместе с Докучаевым занимался почвоведческими исследованиями на Полтавщине. В 1891 г. он уже приват-доцент, семь лет спустя защищает докторскую диссертацию «Явления скольжения кристаллического вещества» и становится профессором минералогии и кристаллографии Московского университета. К этому периоду относятся и его первые работы по геохимии – новой науке, которую Вернадский развил из генетической минералогии, – а также геологические исследования на Левобережной Украине, в Польше, на Урале, в Крыму. Лекции, обширные научные изыскания, работа над фундаментальными проблемами не отдалили ученого от общественной жизни. Во время голода 1895 г. он активно участвовал в кампании по сбору средств для крестьян и был одним из организаторов и деятельных членов так называемого «Приютинского братства». В течение семи месяцев вместе с друзьями и единомышленниками Вернадский, не покладая рук, спасал крестьян от голодной смерти. В 90-х гг. он неоднократно избирался земским гласным Моршанского уезда Тамбовской губернии, где располагалось семейное имение Вернадовка. Эта же гражданская позиция заставила Владимира Ивановича в знак протеста против репрессивной антистуденческой политики Министерства просвещения и полицейского произвола выйти в отставку вместе с другими профессорами и преподавателями, оставив пост помощника ректора.
Для Вернадского 1911 г. был юбилейным– 25-летие научной, педагогической деятельности, а также семейной жизни. Ученики подготовили и выпустили сборник своих статей с посвящением учителю, а палеонтолог А.Б. Миссуна назвала в его честь открытую ею диатомовую водоросль. К тому времени сын Георгий, историк по образованию, готовился стать профессором истории. И в том же году Вернадский переехал в Петербург, где вскоре был избран академиком и заведовал минералогическим отделением Геологического музея. Ему приходилось постоянно курсировать по делам между Петербургом и Москвой, но несмотря на общественную загруженность, ежегодно в специальных журналах появлялось по 10-15 статей. Разнообразны были и маршруты научных командировок Вернадского: Скандинавия, Франция, Ирландия, Англия, Италия, Греция. А для студентов он организовывал минералогические экскурсии на Урал.
Осознав значение радиоактивных веществ как источника энергии и средства создания новых химических элементов, Вернадский активно принялся за практическую работу по картированию месторождений радиоактивных минералов и сбору образцов. Владимира Ивановича считают создателем радиогеологии как самостоятельного научного направления. Проблемами радиоактивности он занимался с 1908 г. Уже в июне 1911 г. им была организована первая экспедиция за радием. Открытие радиоактивных руд в Фергане, поиски их на Урале и в Забайкалье позволили создать собственную сырьевую базу. Собранные в Ферганской долине образцы исследовали в лаборатории, и из минерала тюямуюнита впервые был получен русский радий. В 1909 г. стараниями Вернадского была учреждена Радиевая комиссия, в январе 1912 г. заработала первая в России радиохимическая лаборатория.
Первая мировая война выявила необходимость создания современной минерально-сырьевой базы. В 1915 г. по инициативе Вернадского была создана и возглавлена им Комиссия по изучению естественных производительных сил России (КЕПС), проработавшая до 1930 г. Она объединила крупнейших ученых из 16 институтов: геологов, химиков и экономистов. Впервые были открыты бокситы (Тихвинское месторождение), дана оценка железных руд Урала, исследованы фосфориты Центральной России и т. д.
Еще с 1912 г. Вернадские на лето переезжали на Украину, где приобрели немного земли в Шишаках под Полтавой и на высоком левом берегу р. Псел построили двухэтажный дом. Именно здесь из очертаний биогеохимии возникло новое биосферное мировоззрение. Существеннейшая коррекция утвердившейся научной картины мира, где до сих пор не было места жизни, явилась ученому как озарение летом 1917 г., в естественной лаборатории в Шишаках. Собственно, все его учение о живом веществе, о биосфере, новые, введенные им понятия-термины, такие, как «всюдность» жизни, давление жизни, ее скорость и сгущения, были им разработаны этим летом.