Від 1872 року працює на посаді консерватора (хранителя) в університетському геологічному кабінеті. З 1875 року в Товаристві дослідників природи (Санкт-Петербург) та журналі «Вітчизняні записки» (рос.«Отечественные записки») подав повідомлення «З питання осушення боліт і зокрема осушення Полісся» (рос.«По вопросу об осушении болот и в частности об осушении Полесья»). Досліджував пухкі відклади та структуру річкових долин, головним чином — дніпровської. У 1878 році узагальнив результати досліджень у магістерській дисертації «Способи утворення річкових долин Європейської Росії» (рос.«Способы образования речных долин Европейской России»).
У 1888—94 роках керував фізико-географічними дослідженнями Полтавської губернії, разом із колегами видав матеріали щодо оцінки її земель, статті, монографію «Наш степ раніше й тепер» (рос.«Наши степи прежде и теперь») (гонорарні кошти передав постраждалим від посухи), розробив методику визначення, чи були ліси на південних українських теренах. 12 листопада (31 жовтня) 1888 року у Вільному економічному товаристві виступив з відповідною доповіддю «Методи дослідження питання: чи були ліси у південному степу Росії» («Методы исследования вопроса: были ли леса в южной степной России»)[3]. Удостоївся золотої медалі та ордена «За заслуги у землеробстві»Всесвітньої виставки у Парижі, 1889 року.
Під час робіт з ґрунтово-геологічного вивчення Полтавської губернії (1886—1889) В. В. Докучаєв навідується у маєток В. С. Кочубея у Полтавському повіті, поблизу Диканьки, що звався Піщано-Балясним, де на хуторі Дячкове жив О. О. Ізмаїльський, і між ними започатковуються дружні відносини і починається творча співпраця. В. В. Докучаєв пізніше не раз у своїх роботах посилався на дослідження О. Ізмаїльського. У січні 1894 року Докучаєв запрошує Ізмаїльського до складу керівництва Особливої експедиції Департаменту лісового господарства для ведення робіт у Воронізькій губернії. Внаслідок загострення хвороби О. Ізмаїльський змушений був відмовитись.
1890 року запропонував створити у Полтаві природничий музей. Основу першої експозиції склали колекції, що зібрала експедиція професора Докучаєва — зразки ґрунтів — 4 тисяч одиниць; зразки гірських порід — 500 одиниць; гербарій — до 800 аркушів.
У 1892 році очолив Особливу експедицію, споряджену Лісовим департаментом до Воронезької, Харківської та Катеринославської губерній задля запобігання ерозії ґрунтів, посухам і недородам. Опублікував «Праці» експедиції у 18 випусках. Пильну увагу приділив Старобільському степу в Харківській губернії (тепер на території Старобільської ділянки, організованої під час експедиції, створено ботанічний заказник загальнодержавного значення «Юницький»)[5] та Великоанадольському лісництву в Маріупольському повіті Катеринославської губернії.
У 1899 році сформулював так званий «закон зональності», що показує «найщільніший зв'язок клімату, ґрунтів, тваринних та рослинних організмів» і «співвідношення між зонами природи взагалі й усім життям, усією діяльністю людини». Читав науково-популярні лекції, в тому числі в Полтаві, де співпрацював із місцевим земством і часописом «Хуторянин». Від кінця 1900 року тяжко хворів.
Помер у Санкт-Петербурзі.
Увічнення пам'яті
Ім'я Докучаєва згадується в десятках національних і спеціальних енциклопедіях, у тому числі в «Міжнародних персоналіях», а також у «Загальній історії наук». На різні мови перекладені роботи про нього Д. Віленського, І. А. і Л. А. Крупенікових, Б. Полинова, Л. Прасолова, С. Соболєва, Л. Чеботарьової, А. Ярилова. Багато для популяризації ідей Докучаєва на міжнародній арені зробив його учень — академік К. Глінка. Буквально в кожному підручнику ґрунтознавства, землеробства, фізичної географії згадується ім'я Докучаєва. Біографія і портрет вченого подані в одному з курсів ґрунтознавства, виданих у США. Американський ґрунтознавець К. Марбут, говорячи про роль Докучаєва в історії ґрунтознавства, прирівнював його до К. Ліннея в історії біології та Ч. Лаєлля в історії геології.
