האקדמיה בסנקט פטרבורג, שיוסדה על ידי פיוטר הגדול, יועדה לשפר את החינוך ברוסיה ולאחות את הנתק המדעי בין רוסיה לאירופה המערבית. כתוצאה מכך, הפכה האקדמיה מושכת במיוחד עבור מלומדים זרים כגון אוילר: האקדמיה שלטה במשאבים פיננסיים שופעים וכללה ספרייה מקיפה שנלקחה מן הספריות הפרטיות של פטר עצמו ושל האצולה. תלמידים מעטים נרשמו לאקדמיה, כך שעומס ההוראה הופחת והאקדמיה העניקה לחברי הסגל הן את הזמן והן את החופש לשקוד על מחקר מדעי.
התורמת של האקדמיה, יקתרינה הראשונה, שהתאמצה להמשיך את מדיניות בעלה המנוח פטר, נפטרה ביום הגעתו של אוילר. האצולה הרוסית שאבה כוח רב מעלייתו של פיוטר השני בן ה-12. האצולה הייתה חשדנית מאוד כלפי המדענים הזרים שהגיעו לרוסיה ולכן החליטה להפסיק את המימון ובכך גרמה נזק רב לאוילר ועמיתיו.
התנאים השתפרו במקצת לאחר מותו של פיוטר השני ב-1730 ואוילר התקדם במהירות רבה במעלה הדרגות האקדמיות והפך לפרופסור לפיזיקה ב-1731. שנתיים מאוחר יותר, דניאל ברנולי, שנפגע קשות מן הביקורת ומן העוינות שהפנו כלפיו עמיתיו בסנקט פטרבורג, שב לבזל ואוילר החליף אותו בהצלחה כראש המחלקה למתמטיקה.
ב-7 בינואר 1734, נישא אוילר לקתרינה גיסל, בת של אומן מן האקדמיה גימנזיום. הזוג הצעיר קנה בית ליד נהר נייבה. מבין 13 הצאצאים שהביאו לעולם שרדו רק 5.
ברלין.
מודאג מהמהפכה המתמשכת ברוסיה, התלבט אוילר לגבי המשך שהייתו בסנקט פטרבורג. לבסוף הציע לו פרידריך הגדול מפרוסיה משרה באקדמיה של ברלין, אותה החליט לקבל. הוא עזב את סנקט פטרבורג ב-19 ביוני 1741 וחי את 25 השנים הבאות בברלין, בה כתב למעלה מ-380 מאמרים. בברלין הוא פרסם את שתי היצירות אשר הביאו לו את הפרסום הרב מכול: "Introductio in analysin infinitorum" (מבוא לניתוח האינסוף), חיבור קלאסי וחשוב על פונקציות ועל טריגונומטריה גבוהה שפורסם ב-1748 והניח את יסודות האנליזה המתמטית ו-"institutiones calculi differentialis", חיבור בחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי, בו פיתח את מושג הפונקציה במתמטיקה אנליטית על ידי כך שהמשתנים היו מקושרים אחד לשני, וקידם את השימוש של כמויות זעירות ואינסופיות.
בנוסף, התבקש אוילר להדריך את הנסיכה של אנהלט-דסאו, אחייניתו של פרידריך. הוא כתב למעלה מ-200 מכתבים אליה, אשר מאוחר יותר קובצו לכרך רב-מכר שכותרתו "מכתבים של אוילר לגבי נושאים שונים בפילוסופית הטבע שנשלחו לנסיכת גרמניה", או בקיצור, "מכתבים לנסיכת גרמניה". הכרך ביטא את השקפותיו של אוילר על תחומים שונים בפיזיקה ובמתמטיקה, והעניק הזדמנות נדירה לצפות באישיותו ובאמונותיו הדתיות. כרך זה זכה לפופולריות רבה יותר מאשר כל אחת מעבודותיו במתמטיקה, ופורסם בכל אירופה וכן בארצות הברית. הצלחת המכתבים העידה על יכולתו של אוילר להציג נושאים מדעיים בצורה נהירה לציבור הרחב, יכולת נדירה יחסית לחוקר מדעי מסור.
על אף תרומתו העצומה של אוילר ליוקרתה של האקדמיה, הוא נאלץ לעזוב את ברלין, בעיקר בגלל עימות אישי עם פרידריך. פרידריך החשיב את אוילר לחסר תחכום בהשוואה לפילוסופים שהמלוכה הגרמנית הביאה לאקדמיה. וולטר הועסק אף הוא על ידי המלך, ונהנה ממקום מועדף במעגל החברתי של המלך. אוילר, איש דתי פשוט ועובד מסור, היה שגרתי מאוד באמונותיו, בדעותיו ובטעמיו. במובנים רבים הוא היה ההפך מוולטר. לאוילר היה ניסיון מוגבל בלבד ברטוריקה, והוא נטה לדון בדברים עליהם ידע מעט, וכך הפך את עצמו תדיר למטרה ישירה לשנינותו של וולטר. פרידריך התאכזב גם מיכולתו ההנדסית של אוילר, וכאשר ביקש ממנו לבצע חישוב הנדרש לבניית מזרקה בגני המלך, שגה אוילר בחישוביו והבנייה נכשלה בצורה מחפירה.
בעיות ראייה.
ראייתו של אוילר הידרדרה במהלך חייו. שלוש שנים לאחר שסבל מקדחת כמעט קטלנית ב-1735, הוא כמעט והתעוור בעינו הימנית. הוא תלה את הסיבה לכך בתנאים הקשים בהם עבד בסנקט פטרבורג במחקר בקרטוגרפיה. ראייתו של אוילר בעין ימין הידרדרה כל כך במהלך שהותו בגרמניה, עד שפרידריך התייחס אליו כאל "קיקלופ". ב-1766 החל אוילר לסבול מקטרקט בעינו השמאלית, שהותיר אותו עיוור לגמרי תוך שבועות ספורים. ברם, ראייתו המשובשת לא פגמה ביכולת היצירה שלו, וב-17 שנותיו האחרונות הוא יצר כמעט מחצית מעבודתו, הישג נדיר גם בקרב פיקחים. הוא פיצה על עוורונו ביכולת חישובית יוצאת דופן ובזיכרון מצוין. לדוגמה, הוא היה מסוגל לדקלם בעל פה את האינאיס של ורגיליוס מבלי לטעות, ומאוחר יותר גם היה יכול לצטט מזכרונו את המשפט הראשון והאחרון בכל עמוד מעמודי יצירה זו. עד ראייה שהתבונן בו עובד פעם העיד: "אוילר עורך חישובים מסובכים ללא כל מאמץ ניכר, ממש כשם שאנשים אחרים נושמים או כשם שנשרים נושאים עצמם באוויר".
בחזרה לרוסיה.
המצב ברוסיה השתפר משמעותית לאחר שקתרינה הגדולה עלתה לשלטון. ב-1766 נענה אוילר להצעתה, וחזר לאקדמיה של סנקט פטרבורג, בה התגורר למשך שארית חייו. על שהותו השנייה בסנקט פטרבורג העיבה טרגדיה; שרפה שפרצה ב-1771 בעיר החריבה את ביתו וכמעט שגרמה למותו. ב-1773 הוא איבד את אשתו, לה היה נשוי 40 שנה. אוילר הושפע קשות משתי הטרגדיות, אולם נישא מחדש שלוש שנים מאוחר יותר.
בשנותיו האחרונות הוא נעזר בחברו אנדרס יוהאן לקסל בכתיבה. ב-18 בספטמבר 1783 במהלך שיחה עם לקסל הוא הספיק להגיד "אני עומד למות" ונפטר משבץ מוחי. הוא נקבר בבית העלמין טיחבין. הפילוסוף והמתמטיקאי הצרפתי, המרקיז דה קונדורסה, אמר עליו:
"il cessa de calculer et de vivre... - ... הוא הפסיק לחשב ולחיות"
פועלו של אוילר.
עבודתו של אוילר הקיפה כמעט כל תחום אפשרי במתמטיקה: גאומטריה, אנליזה מתמטית, תורת הגרפים, אלגברה, תורת המספרים ועוד. תרומותיו בפיזיקה עוסקות בתנועת הירח ובתחומים נוספים. לפוריותו של אוילר אין שני בתולדות המתמטיקה; רק פאול ארדש, המתמטיקאי בן המאה ה-20, הגיע לתפוקה קרובה.
סימונים.
אוילר המציא סימנים מתמטיים שהפכו לנחלת הכלל. עמם נמנים:
formula_1 - היחידה המדומה, formula_2 - בסיס הלוגריתם הטבעי, אשר אוילר הוכיח שהוא מספר אי-רציונלי (למעשה אוילר הוכיח שגם formula_3 אי-רציונלי), formula_4 כצורת סימון לפונקציה של המשתנה x (במקום לרשום את הפונקציה בצורה ישירה), הסימן formula_5 כיחס בין היקף המעגל לקוטרו, formula_6 כסכום, הסימונים המודרניים לפונקציות הטריגונומטריות, ועוד. הוא גם הגדיר את הקבוע המסומן באות גמא formula_7 הקרוי קבוע אוילר.
אנליזה.
פיתוח החשבון האינפיניטסימלי והאנליזה היה משאת נפשם של מתמטיקאים בני המאה ה-18. בתחום זה אולי השפיע אוילר יותר מכול, ורעיונותיו הובילו להתקדמויות אדירות. אוילר הביא לעולם את רעיון ההצגה של טור חזקות אינסופי ופיתוחו, כמו התגלית:
formula_8.
ב-1735 פתר אוילר את בעיית בזל והוכיח ש-
פתרון בעיית בזל זיכה את אוילר בתהילה אדירה, מאחר שבעיה זו ניצבה ללא פתרון במשך זמן רב, חרף ניסיונותיהם של המתמטיקאים הדגולים שקדמו לאוילר, בהם בני משפחת ברנולי וגוטפריד וילהלם לייבניץ. במסגרת מחקרו על פונקציית זטא הכליל אוילר את הבעיה והצליח, בהישג נדיר של האנליזה המתמטית של המאה ה-18, למצוא ביטוי המתאר את הערכים של פונקציית זטא לכל מספר טבעי זוגי formula_10. בהמשך חייו אוילר חקר רבות את פונקציית זטא, וכשניסה ללא הצלחה למצוא צורות מתמטיות סגורות לערכים המדויקים של formula_11, הוא הגדיר פונקציות הנקראות כיום פונקציות זטא מכופלות (multiple zeta functions), וגילה מספר זהויות יפות הקושרות אותן לפונקציית זטא, למשל: formula_12.
אוילר גם שיער, במה שמהווה הישג אנליטי מזהיר נוסף שלו, את המשוואה הפונקציונלית שמקיימת פונקציית זטא:
formula_13. משוואה זו, המדגימה את הסימטריה של פונקציית זטא ביחס לציר formula_14, היא הבסיס לתאוריה הענפה של פונקציה זו. קשר זה הוכח לראשונה על ידי ברנהרד רימן במאמרו המכונן על תורת המספרים האנליטית.
אוילר נחשב לאחד מאבות תורת הסומביליות בזכות גישתו החדשנית שניתן לתת ערך מספרי (סופי) בר-משמעות לטור מתבדר. למשל, באמצעות מניפולציות אנליטיות מבריקות, הוא הראה במאמר מ-1760 ש-:formula_15. אוילר כינה את טור העצרת המתחלף הזה "טור מתבדר פר אקסלנס", והטכניקות שאפשרו לו לסכום את הטור הזה קרובות מבחינה רעיונית לסיכום בורל שפיתח אמיל בורל ב-1899.
אוילר הציג ופיתח את השימוש של פונקציה מעריכית ושל לוגריתמים בהוכחות אנליטיות. הוא גילה דרכים לתאר מגוון פונקציות לוגריתמיות כטורים אינסופיים, ובאחת מעבודותיו החשובות הצליח לשלב בין לוגריתמים לבין תורת המספרים המרוכבים. הוא הגדיר את הפונקציה המעריכית עבור מספרים מרוכבים, וגילה את הקשר בינה לבין פונקציות טריגונומטריות, המובא בנוסחה הבאה: לכל מספר ממשי formula_16, נוסחת אוילר קובעת כי: formula_17.
מקרה פרטי של נוסחה זו נקרא זהות אוילר, הקושרת חמישה קבועים מתמטיים בסיסיים מעולמות שונים: formula_18. לזהות זו קרא לימים הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן "הזהות הפלאית ביותר במתמטיקה".
אוילר קידם את התורה של פונקציות טרנסצנדנטיות גבוהות על ידי ההצגה של פונקציית בטא ושל פונקציית גמא, המהווה הרחבה של פונקציית העצרת אל שדה המספרים המרוכבים. הוא גם מצא שיטה חדשה לפתרון משוואות ממעלה רביעית. הוא מצא שיטה לחשב אינטגרל עם גבולות מרוכבים, ובכך הביא את בשורת האנליזה המרוכבת. הוא פיתח את חשבון הווריאציות יחד עם ז'וזף לואי לגראנז'. התוצאה המפורסמת הנובעת משיתוף פעולה זו ידועה כמשוואות אוילר-לגראנז'.