В конце 1921 года Вернадский основал в Москве Радиевый институт и был назначен его директором. Особое внимание уделял Вернадский исследованию явлений радиоактивности. Учёный показал большое значение этого явления для геологических процессов.

В связи с открытием явления радиоактивности он ещё в 1910 году писал: «Ни одно государство и общество не могут относиться безразлично, как, каким путём, кем и когда будут использованы и изучены находящиеся в его владениях источники лучистой энергии».

Позже, в 1922 году, Вернадский с удивительной прозорливостью говорил: «Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться всё, им раньше пережитое. Недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет… Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить её на добро, а не на самоуничтожение? Учёные не должны закрывать глаза на возможные последствия их научной работы, научного процесса. Они должны себя чувствовать ответственными за последствия их открытий. Они должны связать свою работу с лучшей организацией всего человечества».

Владимир Иванович решительно отвергал принятое многими учёными положение об остаточном внутреннем жаре планеты, то есть о том, что Земля была ранее раскалённым шаром, и внутреннюю теплоту Земли объяснял радиоактивным распадом.

Вернадский разработал основы новой науки — геохимии, которая сразу же приобрела важное значение как в чисто научном, так и в практическом отношении.

Геохимия, в отличие от минералогии, — это наука об истории атомов в земной коре и во Вселенной. Геохимия изучает законы распространения и распределения атомов химических элементов в Земле и условия образования их скоплений, т. е. месторождений.

Вернадский всесторонне проанализировал всю таблицу элементов Менделеева с точки зрения геохимика. Он разбил все химические элементы по доле их участия в составе земной коры на группы и установил процентное содержание в земной коре многих элементов.

Одним из важнейших в практическом отношении разделов геохимии является учение о парагенезисе элементов, о закономерностях связей элементов в минералах.

Вернадский научно обосновал причины совместной встречаемости элементов в определённых местах земной коры, указал на закономерность в распределении участков с повышенным содержанием того или иного элемента и на их связь с геологическим строением района. Знание такой геохимической «заражённости» различными элементами дало возможность составить геохимические карты, облегчившие геологам поиски полезных ископаемых, особенно руд: ведь каждый минерал, каждая руда приурочены к определённым горным породам.

Учёного приглашают прочесть курс лекций в Сорбоннском университете (Париж). 1923–1926 годы он проводит за границей, преимущественно во Франции, ведя большую научно-исследовательскую и преподавательскую работу. Выходят в свет его лекции по геохимии (на французском языке), статьи по минералогии, кристаллографии, геохимии, биогеохимии, химии моря, эволюции жизни, а также о геохимической деятельности и будущем человечества.

Владимир Иванович постоянно и очень много читал. С годами это позволило ему накопить обширнейшие знания в самых разных науках. Трудоспособность учёного была поразительна. Он работал до поздней старости по десять—двенадцать часов в сутки и даже больше, сочетая при этом постоянный и острый интерес к исследованиям и одновременно строгую организованность труда. Вот что говорил о своём образе жизни сам Вернадский:

«У меня осталась очень хорошая справочная библиотека… Я владею (для чтения) всеми славянскими, романскими и германскими языками…

Ночами сплошь я никогда не занимался, но в молодости занимался до 1–2 часов ночи. Вставал всегда рано. Никогда не сплю днём и никогда не ложусь днём отдыхать, если не болен. Не курю и никогда не курил, хотя моя семья — отец, мать и сёстры — все курили. Не пью (кроме — редко — вина). Водку пил раз в жизни.

После моего долгого пребывания во Франции я принял распределение времени тамошних учёных. Встаю рано утром (6–7 часов), ложусь в 10–10 1/2 ч.

Художественную литературу люблю и за ней внимательно слежу. Очень люблю искусство, живопись, скульптуру. Очень люблю музыку, сильно её переживаю…

Считаю наилучшим видом отдыха прогулки пешком, прежде — в лодке, поездки за границу…»

Итак, вернувшись в 1926 году на родину, он публикует свою знаменитую монографию «Биосфера». Сейчас это может показаться странным, но до того времени о биосфере писалось очень мало, и то лишь в специальных изданиях. Не существовало учения о биосфере. Вернадский стал его основоположником.

Он выделил как особую оболочку биосферу — совокупность организмов, живого вещества. Биосфера располагается на литосфере, в гидросфере и проникает на некоторую глубину в литосферу и на некоторую высоту в атмосферу. Владимир Иванович изучение биосферы называл «самым важным делом своей жизни». Он создал новую науку — биогеохимию.

Вернадский поставил интереснейшую проблему: какова роль органического мира в жизни нашей планеты? Он выяснил огромное значение живого вещества во всех геологических процессах на поверхности планеты и в образовании атмосферы, хотя по весу оно составляет ничтожную часть планеты (около 0,1 % её веса). Он установил, что свободный кислород атмосферы — продукт жизнедеятельности растений, что энергия солнечных лучей, преобразуемая земными растениями, играет большую роль в геологических и геохимических процессах в земной коре; показал значение живых организмов в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов. Многие горные породы целиком созданы живыми организмами.