Получив от Николая решающий толчок к научному познанию, Владимир с 13 лет начал вести подробный дневник, который обнаруживает неожиданные стороны его личности. Оказывается, с раннего детства он был наделен странными, пугавшими его самого качествами. Наряду с наследственным лунатизмом в нем проявилась способность во сне и наяву вступать в контакт с образами дорогих ему людей, причем в яркой галлюцинаторной форме. Но «из-за страха» (его собственное объяснение в поздних дневниках) Владимир решительно заглушил в себе такого рода «мистические» рецепторы, сознательно закрыв для себя эту область: «Я что-то остановил в своей природе. Иногда жалею, что погасил, а не развил эту способность… Твердо и ясно сознаю, что какая-то сторона видения мною в моей личности остановлена». Но вытесненные способности возвращались к нему в экстремальных ситуациях. Сознательно же самоограничение и предельная дисциплинированность стали основой плодотворной целеустремленности всей его научной и личной жизни.
После переезда семьи в Петербург Владимир окончил гимназию и в 1881 г. поступил на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, где под влиянием выдающегося ученого В. В. Докучаева занялся минералогией и кристаллографией. Но его интересы не замыкались на этих узких областях науки. Вернадский серьезно занимался почвоведением, физической географией, мерзловедением, природными водами, биологией, историей развития научной мысли, философией, историей и литературой. Для чтения художественной и научной литературы он изучил все славянские языки, а также английский, французский, немецкий и многие другие, что помогало ему в общении с иностранными учеными во время многочисленных научных командировок по Европе.
Не оставался Владимир в стороне и от общественной жизни. В 1883 г. он стал одним из основателей Студенческого научно-литературного общества и руководил его научным советом. Теплые отношения и схожесть взглядов (за исключением террора) связывали его с одним из членов общества – Александром Ульяновым. Но близкими друзьями Вернадского на всю жизнь стали члены «братства», объединенные исканиями смысла и цели в жизни: братья С. и Ф. Ольденбурги, А. Корнилов, И. Гревс, Д. Шаховский, Н. Ушинский, А. Краснов. А в созданную ими группу по изучению народной литературы вошла и Наталья Егоровна Старицкая, в 1886 г. ставшая его женой и давшая ему счастье и ту поддержку, которой Владимир Иванович после смерти отца не ощущал от матери и младших сестер, Ольги и Екатерины. Они прожили вместе 56 лет, воспитали двоих детей – Георгия (1887 г.) и Нину (1898 г.), а тысячи писем, написанные преданными супругами, стали свидетельствами их не угасших с годами чувств и полного взаимопонимания.
По окончании университета в 1885 г. Вернадский был оставлен при нем хранителем минералогического кабинета и вел активную научно-исследовательскую работу в области минералогии, кристаллографии и смежных наук. Покушение на жизнь царя Александра III и арест А. Ульянова (1887 г.) чуть не оборвали успешно начавшуюся карьеру ученого. Чтобы избежать его увольнения, Вольное экономическое общество отправило Владимира Ивановича исследовать залежи фосфоритов в Смоленской губернии. А ранней весной 1888 г. университет командировал его на стажировку к выдающимся специалистам в области кристаллографии: П. Гроту – в Мюнхен, Л. Ле Шателье и Ф. Фуке – в Париж. В течение двух лет молодой ученый побывал в Германии, Австрии, Италии и Франции, работал в различных научных учреждениях, где, кроме прочего, заинтересовался еще и органической и неорганической химией.
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 стал приват-доцентом, семь лет спустя защитил докторскую диссертацию «Явления скольжения кристаллического вещества» и был назначен 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, Урале, в Польше, Крыму. Лекции, огромные научные изыскания, работа над фундаментальными проблемами не отдалили, однако, ученого от общественной жизни. С 1892 г. он неоднократно избирался земским гласным Моршанского уезда Тамбовской губернии, где располагалось его родовое имение Вернадовка. Во время голода 1895 г. ученый 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 со своими друзьями и единомышленниками Вернадский не покладая рук спасал крестьян от голодной смерти. Эта же гражданская позиция заставила его в знак протеста против репрессивной анти-студенческой 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, уже 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, количество его научных работ стремительно возрастало: ежегодно в специальных журналах появлялось по 10–15 его статей. Разнообразными были и маршруты научных летних 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 месторождения радиоактивных руд в Фергане, поиски их на Урале и в Забайкалье позволили создать в России собственную сырьевую базу. Собранные в Ферганской долине образцы исследовали в лаборатории, и из минерала тюямунита 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. Вернадский возглавил созданную по его инициативе Комиссию по изучению естественных производительных сил России (КЕПС), которая проработала до 1930 г. Она объединила крупнейших ученых из 16 институтов: геологов, химиков и экономистов. Впервые были открыты залежи бокситов (Тихвинское месторождение), дана оценка железных руд Урала, исследованы фосфориты Центральной России и т. д.
С 1912 г. Вернадские на лето переезжали в Украину, где они приобрели немного земли в Шишаках, под Полтавой, и на высоком левом берегу р. Псел построили двухэтажный дом. Именно здесь у ученого из очертаний биогеохимии возникло новое биосферное мировоззрение. Существеннейшая коррекция утвердившейся научной картины мира, где до сих пор не было места жизни, явилась Вернадскому как озарение летом 1917 г. Собственно, все его учение о живом веществе, о биосфере, новые, введенные им понятия-термины, такие, как «всюдность» жизни, давление жизни, скорость и сгущения ее были разработаны им именно тогда в естественной лаборатории в Шишаках.