עם שובו ללנינגרד קיבל גומיליוב משרה בספריית מוזיאון הארמיטאז' והחל להתקין להוצאה לאור שני ספרים, אותם עיבד מתוך רשימותיו בגולאג ועבודת הדוקטורט שלו. הראשון, "חאנויות: מרכז אסיה בעת העתיקה" (Хунну), סוקר את התקופה שבין המאה השנייה לפנה"ס למאה הרביעית לספירה ובפרט את שבטי הנוודים של מזרח אסיה וקשריהם עם סין. השני, "הטורקים העתיקים" (Древние Тюрки; דרבני טיורקי) סוקר את עלייתה ונפילתה של אימפריית הטורק במרכז אסיה בשנים 546–861. ספרו הראשון ראה אור בשנת 1960, כאשר היה בן 48. ב-1959 יצא כחבר במשלחת חקר ארכאולוגית לדלתה של הוולגה במטרה להתחקות אחר שרידי ממלכת הכוזרים והיה הראשון שגילה עדות מוצקה לקיומה - אתר קבורה. על פי הממצאים ביסס גומיליוב את התאוריה שלו שעליית מי הים הכספי הציפה את בירת הכוזרים, איטיל ועובדה גאוגרפית זו היא שהביאה לנפילת ממלכתם, הדבר אישש את אמונתו בחשיבות שינויי האקלים כגורם מכריע בהיסטוריה. ב-1961 יצא במשלחת הארכאולוגית האחרונה שלו לדרבנט ובאותה שנה התקבל כמרצה מן החוץ באוניברסיטת לנינגרד, שהפכה מאוחר יותר למשרה קבועה של "עוזר מחקר בכיר" במחלקה לגאוגרפיה עד לפרישתו לגמלאות ב-1986, הוא מעולם לא מונה לפרופסור ולא היה חבר המכון להיסטוריה.
באותה עת יצר גומיליוב קשר עם אנשי התנועה האירואסייתית, שהחלה את דרכה כקבוצת אינטלקטואלים רוסים שישבה בפריז. אנשי התנועה טענו מאז שנות ה-30 של המאה ה-20 שלכיבוש המונגולי של רוסיה במחצית המאה ה-13 היה תפקיד חיובי ביצירת העם והלאום הרוסי, זאת בניגוד לדעה הרווחת, שלכיבוש היה תפקיד הרסני. גומיליוב ביקש להחיות את רעיונותיה של התנועה באוניברסיטת לנינגרד. בשנת 1965 פרסם גומיליוב את מאמרו הראשון באתנוגנסיס (תורת ראשית היווצרותם של עמים), שאחריו פרסם עוד עשרים מאמרים בנושא, אשר רוכזו בספרו "אתנוגנסיס והביוספירה" (Этногенез и биосфера земли; ראה אור ב-1989). במאמרים אלה הציג את תאוריית הערבה האירואסייתית.
ב-1966 נפטרה אמו, אנה אחמטובה, ובין גומיליוב לבין בתה מנישואיה לפונין פרץ סכסוך ירושה ארוך. ב-1967 נשא גומיליוב לאשה את נטליה ויקטורובנה סימונובסקיה. ב-1970 ראה אור ספרו "החיפוש אחר ממלכה בדיונית: אגדת ארצו של הכומר יוחנן" (Поиски вымышленного царства: Легенда о Государстве пресвитера Иоанна ) המגולל את עלייתה של האימפריה המונגולית והשפעתה על אירופה בכלל ורוסיה בפרט בשנים 861–1312. בכך סיכם את מפעלו לכתיבת ההיסטוריה של עמי אסיה הנוודים ופנה לגבש את רעיונותיו בנוגע לתאוריית האתנוגנסיס הכללית שלו. מאמריו בנושא התפרסמו בגיליונות כתבי העת "וסטניק ל.ג.ו" (Вестник ЛГУ) ו"פריודה" (Природа, "הטבע") בקונטקסט של הפולמוס להגדרת המושג "אתנוס" (עם, אומה, גזע). ב-1974 הגיש גומיליוב את רעיונותיו לסנט אוניברסיטת לנינגרד כעבודת בתר-דוקטורט בגאוגרפיה. ביקורת חריפה שנמתחה על עבודתו זו הובילה לחרם למעשה על פרסומה והדיון בה. רעיונותיו של גומיליוב לא זכו להתייחסות עד לפרסטרויקה, בד בבד עם יציאתו לגמלאות. רק לאחר מכן קיבלו רעיונותיו תשומת לב, בעיקר מצד גורמים לאומניים ברוסיה ובחבר המדינות. בשנת 1988 תורגם לאנגלית ספרו השלישי על ההיסטוריה של העמים הנוודים וב-1989 ראו אור שני ספריו, "אתנוגנסיס והביוספירה" ו"רוסיה העתיקה והערבה הגדולה" (Древняя Русь’ и Великая Степь) שהציגו את מכלול רעיונותיו.
החל מ-1991 סכל גומיליוב מבעיות לב ואושפז בבתי חולים. עם מותו ב-1992 התפרסמו מאמרי סיקרה נרחבים על חייו ופועלו, שעוררו סקרנות ציבורית. הוא נקבר על פי בקשתו בבית העלמין טיחבין שבמנזר אלכסנדר נבסקי. גומיליוב גילה סימפתיה רבה לצמיחת תנועות לאומיות אצל העמים הקזחים, הטטארים, המונגולים ואחרים והפך במדינות הלאום שלהם לדמות נערצת. בשנת 1996, ארבע שנים לאחר מותו, הקים נשיא קזחסטן, נורסולטן נזרבייב, את האוניברסיטה האירואסיאתית הלאומית על שם ל. נ. גומיליוב (Евразийский Национальный университет имени Л. Н. Гумилёва), מול ארמון הנשיאות בבירה אסטנה.
תאוריית הגנוסיס הכללית.
ראשית גיבוש הרעיונות.
לדברי גומיליוב, במכתב משנת 1968 למורו בילדותו, שאלות לגבי מקורם של עמים ולידתן של אומות כתוצאה מתהליכים טבעיים ואקלימיים החלו לנקר בו עוד כסטודנט צעיר. אולם הרעיון המקשר את רעיונותיו צץ בו בעת מאסרו ב-1939, אז הרהר בדברים והעיר את חבריו לתא בלילה בקריאת אאוריקה! ("מצאתי!" ביוונית עתיקה). רעיון זה קשור למושג ה"פאסיונרנוסט" (Пассионарии, מילה פרי המצאתו). הרעיון הכללי הוא שלידתן והתפתחותן של אומות אינו קשור לגורמים רציונליסטיים ולבחירה רציונלית אלא מבוסס על היכולת ליצור יעדים ורעיונות משותפים וגדולים ולהתמיד בהליכה לאורם לאורך פרקי זמן ארוכים. לדברי גומיליוב מדובר בתופעה טבעית שיש לחקור בכלים של מדעי הטבע. תאוריה זו באה כניגוד לתאוריה המרקסיסטית לפיה מתקדמת האומה בצעדים עוקבים של קידמה מבחינת הסדר החברתי ומתוך מניעים כלכליים.
ביוספרה ואתנוגנוסיס.
התאוריה מבוססת על שלושה עקרונות יסוד: 1) אין להפריד בין האדם לבין סביבתו הטבעית 2) האנרגיה חיונית לתהליכים ביוכימיים בכל האורגניזמים ו-3) לאדם יש תפקיד ייחודי בביוספרה. האדם מסוגל להתאים את עצמו, יותר מכל מין אחר, לסביבות שונות ומשתנות. בני אדם מסתגלים לסביבה משתנה על ידי שינוי באורחות חייהם (שינוי התנהגותי, תרבותי) ולא באמצעות שינויים פיזיולוגיים. הצעד הבא הוא ההבחנה שה"אתנוס" (כזהות קיבוצית של בני אדם, עם, לאום) גם היא ייחודית לאדם. לפיכך, המסקנה שהסיק היא שהמסתגל לתנאי האקלים והסביבה השונים איננו האדם כפרט, אלא ה"אתנוס". כלומר החלוקה האתנית של בני האדם אחראית ליכולתם להתאים עצמם לסביבות משתנות. לא מדעי החברה ולא הביולוגיה אינם כלים למחקר השאלות כיצד הדבר מתרחש, לשם כך נזקק מדע מסוג חדש האתנוגנוסיס, מוצא הלאומים. לטענתו, האבולוציה של האדם עברה מן התחום הביולוגי לתחום האתני. השורד בעת שינוי נסיבות טבעיות איננו הפרט המתאים ביותר, אלא האתנוס שביכולתו להתאים את עצמו ואף לשנות את הסביבה הטבעית לצרכיו. שינוי קריטי בתנאים הסביבתיים הטבעיים יכול להזניק אתנוסים מסוימים ולהחריב אחרים. האתנוסים שצמחו מתוך הקטסטרופה הסביבתית מיישמים ומגלמים את ההתנהגויות שסייעו להם להיווצר, זו דרך החיים שלהם. גומיליוב ראה את האתנוסים כתרבויות שונות מאוד זו מזו בתוך "האנושות" שאינה אלא סך כל האתנוסים השונים של מין האדם, בדומה לגזעי כלבים ביחס למין "כלב".
את האתנוסים השונים מחלק גומיליוב מחלוקה גסה ל"סטטיים" ו"דינמיים". האתנוסים הסטטיים חיים בשיווי משקל עם סביבתם הטבעית (האנרגיה שהם צורכים מהסביבה מושקעת בה חזרה) וממשיכים לקיים את אותה דרך חיים דור אחר דור באופן שמרני (גומיליוב מונה את האלבנים, האיסלנדים והפלאחים המצרים). האתנוסים הדינאמיים, לעומת זאת, מאופיינים בשינויים בין-דוריים גדולים יחסית בדרך החיים ובשאיפת התפתחות מעבר לגבולות הסביבה בה צמחו. הם מצליחים לשאוב יותר אנרגיה מהביוספרה מזו הדרושה לקיומם והם משקיעים אנרגיה זו בהתפשטות. דוגמאות לאתנוסים דינמיים מוצא גומיליוב בהלניזם של יוון העתיקה, בקולוניאליזם האירופאי ובהתפשטות של הרוסים בסיביר. חלוקה זאת מובילה להבדלים מנוגדים במגוון תחומים (למשל תפיסת זמן מחזורית באתנוסים סטטיים לעומת תפיסת זמן ליניארית באתנוסים הדינמיים; כבוד והוקרה לידע עתיק ולזקנים לעומת כבוד והוקרה למהלכים של קידמה וחידוש ועוד). להערכתו, לאתנוס דינאמי יש טווח זמן חיוני של 1000–1500 שנה בטרם יהפך לאתנוס סטטי, שזמן חייו אינו מוגבל עקרונית ומוכתב על ידי גורמים חיצוניים. כלומר, לכל אתנוס שכיום הוא סטטי היה שלב התפתחותי דינמי בטרם הפך לסטטי, לפיכך, אין בתאוריה שיפוט ערכי של אתנוסים.
פאסיונרנוסט.
לתיאורם של אתנוסים סטטיים די בפרמטרים חברתיים-פוליטיים, גאוגרפיים וטכנולוגיים. אולם על מנת לתאר אתנוס דינמי נדרש פרמטר נוסף - הפאסיונרנוסט, היכולת למאמץ מאוחד; באופן שקול, במונחים של תאוריית הביוספרה ואתנוגנוסיס, זוהי היכולת לספוג אנרגיה מן הבסיס, ולהוציא אותה כעבודה (ולא רק לשם שימור עצמי). זהו המדד לפיו יש לבחון את העמים. ככל שהשאיפה לממש את הרעיון המאחד גדולה יותר מהרצון (למעשה, האינסטינקט) לשמר את דרך החיים, כך הפאסיונרנוסט של הקבוצה גדול יותר. אין קשר לדרך המימוש, הרסנית או קונסטרוקטיבית, אלימה או אינטלקטואלית. ההגדרה של פאסיונרנוסט במונחים פיזיקליים נדרשה על מנת לבסס את הקשר בין מניעים טבעיים לבין האתנוגנוססי, משום שלשיטתו של גומיליוב שינוי פיזי יכול לגרום רק לשינוי פיזי אחר.