После окончания университета в 1870 году В. В. Докучаев занялся изучением речных наносов у себя на родине, в верховьях Днепра. Постепенно эти занятия расширялись и привели его к изучению вопросов геологии ледниковых отложений. Уже в 1871 году он читал на эту тему научные доклады в Обществе естествоиспытателей. В 1878 году В. В. Докучаев за работу «Способы образования речных долин Европейской России» получил ученую степень магистра геогнозии. Ещё до этого, в 1875 году, он участвовал в редакции почвенной карты России, а после смерти секретаря Статистического комитета В. И. Чаславского в 1878 году Департамент земледелия и сельской промышленности поручил ему закончить обработку материалов Чаславского о почвах. Эти работы в сочетании с занятиями В. В. Докучаева как геолога, специализировавшегося по поверхностным отложениям, привели его к почвоведению. Он вошел в число членов «черноземной комиссии» Вольного экономического общества, в которой участвовал Д. И. Менделеев.

В связи с неурожаями 1873–1875 годов общество решило произвести исследования чернозема, собрав на местах образцы для химического анализа. В. В. Докучаев разработал программу химического исследования и для выполнения геологогеографических исследований за два лета — 1877 и 1878 годы — проехал около 10 000 километров через всю южную полосу Европейской России. В 1881 году он совершил путешествие на юго — запад страны. Результаты наблюдений В. В. Докучаева над черноземом и подзолами северной полосы включены в «Картографию русских почв», опубликованную в 1879 году; она содержит историю прежних исследований почвы и ее подробные анализы, выполненные при участии Д. И. Менделеева.

В 1883 году В. В. Докучаев представил Вольному экономическому обществу подробный отчет, изданный в виде большого труда «Русский чернозем». В этом труде излагаются основы учения В. В. Докучаева о происхождении чернозема и других почв. Академией наук автор «Русского чернозема» был удостоен Макарьевской премии, а Вольное экономическое общество выразило ему особую благодарность. В. В. Докучаев успешно защитил работу «Русский чернозем» в качестве докторской диссертации. Это дало ему возможность занять освободившуюся в университете кафедру минералогии; почвоведение не входило тогда еще в программу университета как отдельный предмет, а являлось лишь частью общего курса агрономии.

В 1882 году В. В. Докучаев принял предложение земства Нижегородской губернии «определить качество грунтов с точным обозначением их границ».

Эта работа была проведена за четыре года (1882–1886), главным образом молодыми учениками В. В. Докучаева и приглашенными им специалистами. Так образовалась группа почвенников — докучаевцев, постоянных сотрудников, помогавших В. В. Докучаеву в других его работах.

В 80–х — начале 90–х годов XIX века деятельность В. В. Докучаева вышла далеко за пределы его личных работ. Под его редакцией было опубликовано несколько десятков «Трудов», выработана общая классификация почв. При Вольном экономическом обществе была учреждена Почвенная комиссия — первый центр почвоведения (1888). Работы русских почвоведов были представлены на Парижской всемирной выставке, где они получили высокую оценку (1889). К этому же времени относится организация В. В. Докучаевым очередного, VIII съезда русских естествоиспытателей и врачей и особой комиссии для изучения окрестностей Петербурга. В. В. Докучаев составил проект создания государственного Почвенного института и деятельно отстаивал его в различных ведомствах. Этот проект тогда не был утвержден. Министерство земледелия и Министерство финансов отказались одобрить и проект Постоянного почвенного комитета, подобного открытому тогда Геологическому комитету. Только в 1913 году, уже после смерти Василия Васильевича, Почвенная комиссия была преобразована в Докучаевский почвенный комитет.

В 1892 году В. В. Докучаев был назначен директором Института сельского хозяйства и лесоводства в Новой Александрии, где провел 5 лет (1892–1897). Он выработал устав этого института, который служил потом образцом для других сельскохозяйственных институтов. В этот период В. В. Докучаев организует новые большие исследования по борьбе с засухой. Он добился утверждения ведомством государственных имуществ «Особой экспедиции лесного департамента». По программе В. В. Докучаева и под его руководством экспедиция предприняла изучение нескольких участков степей с одновременным устройством на них различных опытов по обводнению, облесению и полеводству. Намечалась широкая программа рационального устройства всей южной засушливой полосы. Удалось устроить несколько опытных лесничеств, отчасти на основе старых лесных посадок. Было издано два десятка томов научных трудов этой экспедиции; большой успех имело участие ее в выставках в Америке в Чикаго в 1893 году и во всероссийских выставках — Нижегородской и Московской (1895).

В целях распространения знаний среди сельских хозяев Докучаев организовал в Петербурге курс общедоступных лекций для земледельцев, в чтении которых участвовали виднейшие ученые, в том числе и Д. И. Менделеев.

Много труда В. В. Докучаев отдал составлению новой почвенной карты Европейской России. К 1900 году карта была составлена и напечатана. Эта карта с тех пор служила основой всех работ ведомства земледелия вплоть до 1930 года. Руководство институтом в Новой Александрии в сочетании с большой общественной деятельностью стоили В. В. Докучаеву большого напряжения сил. Под конец он заболел и должен был выйти в отставку.

Оправившись после болезни, В. В. Докучаев предпринял в 1898–1899 годах большое путешествие на Кавказ, пересек горы, побывал в Закавказье, сделал доклад в Тифлисе и начал читать там лекции. В своем докладе В. В. Докучаев обрисовал общую последовательность чередования типов горных почв, установив закон так называемых вертикальных зон почв, которые в горных странах сменяют горизонтальные, т. е. широтные, почвенные зоны. В настоящее время эти выводы В. В. Докучаева о вертикальной зональности почв подтверждены во всех странах.

Кипучая деятельность В. В. Докучаева была прервана на 57–м году его жизни. 8 ноября 1903 года он скончался.

В. В. Докучаев оставил богатое научное наследство.

В книге «Русский чернозем» и затем в «Материалах по оценке земель Нижегородской губернии» В. В. Докучаев дал классификацию почв, в основном не изменившуюся до настоящего времени. В. В. Докучаев установил правильную закономерность залегания почв в виде целых полос или зон (поясов), подмеченную сначала на равнинах Европейской России, а потом на всей земной поверхности. Он доказал, что смена этих зон соответствует полосам климата.