In 1929 keerde hij terug naar de Sovjet-Unie om in Sint-Petersburg (inmiddels hernoemd tot Leningrad) een biogeochemisch laboratorium op te zetten, dat in 1934 naar Moskou verhuisde. Na de Duitse inval in Rusland in 1941 werd Vernadski geëvacueerd naar Kazachstan, waar zijn vrouw stierf. Zelf keerde hij in 1943 terug naar Moskou, om daar in 1945 te sterven.