Bereits zwei Jahre später folgte sein außerhalb der historischen Sprachwissenschaft wirkmächtigstes Werk "Mysl' i jazyk" („Denken und Sprache“). Im selben Jahr wurde Potebnja als Anwärter auf einen Lehrstuhl für vergleichende Sprachwissenschaft zur Vervollkommnung seiner Kenntnisse nach Berlin geschickt. Den auf zwei Jahre geplanten Aufenthalt brach er schon nach einem Jahr ab. In dieser Zeit gerieten seine drei jüngeren Brüder in Schwierigkeiten, darunter Andrei Potebnja, der im polnischen Aufstand von 1863 ums Leben kam. Ob Potebnja als Zivilist in die Vorbereitungen involviert war, weiß man nicht. Damals aber gab es durchaus Stimmen, die ihn mit den staatsfeindlichen Unternehmungen seiner Brüder in Verbindung brachten, seine Rückkehr an die Universität indes nicht verhindern konnten. Dennoch verlief seine weitere Karriere nicht reibungslos. Seine Habilitation 1866 scheiterte zunächst. Stein des Anstoßes war unter anderem Potebnjas Idee, christliche Riten der Slawen mit heidnischen Gebräuchen in einen Zusammenhang zu bringen. Erst 1875 wurde Potebnja aufgrund seiner im Jahr zuvor erfolgten Habilitation zum ordentlichen Professor ernannt. Potebnja war nicht nur ein europaweit anerkannter Sprachwissenschaftler, sondern auch ein beliebter akademischer Lehrer, dessen Wirken zu einer regelrechten Schulbildung in Charkow führte. Zwischen 1878 und 1890 war er zudem Präsident der Historisch-Philologischen Gesellschaft Charkow. Potebnja starb am 29. November (a. St.) 1891.