Вернувшись в Россию, Цветаев продолжил изучать историю античного искусства, через несколько лет он уже был ведущим специалистом в этой области, главой кафедры истории искусств Московского университета. Именно тогда, в 1889 году, он впервые озвучил мысль о создании в Москве собственного музея античного искусства, экспозиция которого не должна была уступать Эрмитажу. Изначально музей должен был существовать при Московском университете, однако финансирование этого проекта университетским бюджетом не предусматривалось. Собирая средства для создания будущего музея, Цветаев параллельно осуществлял научную деятельность, работал хранителем отдела публичных древностей в уже существовавших музеях – Публичном, Румянцевском.
На то, чтобы осуществить главное дело своей жизни, Цветаеву потребовалась четверть века. За это время он успел стать отцом четверых детей и дважды овдоветь, написать несколько ярких научных работ, в разы увеличить коллекции будущего музея. В 1880 году, возвратившись из Италии в Москву, Цветаев женился на Варваре Иловайской, вскоре у них появился первый ребенок – дочь Валерия. Варвара Дмитриевна Иловайская, дочь известного историка, друга и коллеги Цветаева, с детства хорошо знала историю Древнего Рима, интересовалась раскопками Помпей. Она разделяла интересы своего мужа, помогала ему в работе по созданию музея, стала не просто женой, а другом и соратником. Но в 1889 году, родив второго ребенка, мальчика Андрея, она умерла.
В 1891 году Цветаев женился второй раз. Его новая жена, Мария Александровна Мейн, была моложе его на 21 год. Многие исследователи биографии Марины Цветаевой описывают отношения между ее родителями как натянутые, ища доказательства тому, что Мария Мейн была несчастна в браке, а потому – столь эмоциональна и категорична, столь нетерпима и требовательна по отношению к дочерям. Существует версия о том, что именно своеобразное воспитание, которое она дала своим детям, столь негативно повлияло на характер Марины Цветаевой. О характере Марии Александровны можно судить не только по текстам ее дочерей Марины и Анастасии, но и по мемуарам ее падчерицы, Валерии (установить с падчерицей и пасынком доверительные отношения Марии Александровне не удалось).
Уже после того, как Мария Александровна переехала в дом своего мужа в Трехпрудном переулке, он заказал большой портрет своей первой жены, Варвары Иловайской. Это полотно занимало в доме самое видное место и, по всей вероятности, вызывало определенную неприязнь у Марии Александровны. Об этом упоминают обе сестры Цветаевы. В одном из писем Марины Цветаевой есть цитата из дневника ее матери: «Мы венчались у гроба».
В 1892 году у Цветаевых родилась дочь Марина, в 1894-м – Анастасия.