Вскоре после февральской революции 1917 года Ю. А. Олсуфьев покинул свою усадьбу в Буйцах и отправился с семьёй (жена и сын), сначала в Оптину пустынь к духовнику старцу Анатолию, а потом, с его благословения, — в Сергиев Посад. В Сергиевом Посаде он был заместителем председателя (с сентября 1919 по март 1920 — председателем) Комиссии по охране памятников искусства и старины Троице-Сергиевой лавры, главным хранителем ризницы Лавры. С августа 1920 года Олсуфьев был внештатным экспертом по древнерусской живописи и миниатюре Сергиевского историко-художественного музея, с 1925 — заведующий отделом «Эмали, скань, чернь, финифть, резьба по дереву, металлу и кости», с 1927 — член Правления музея. Ю. А. Олсуфьев — один из основателей научной реставрации икон, в частности, он был одним из руководителей реставрации рублёвской «Троицы». Утверждается, что когда стало известно о вывозе из Лавры мощей Сергия Радонежского, то по благословению патриарха Тихона в конце марта 1920 года Ю. А. Олсуфьев вместе с П. А. Флоренским тайно от всех «сокрыли честную главу Преподобного», которая долгое время хранилась в семье Олсуфьевых. За время работы в Сергиевом Посаде Олсуфьев опубликовал более двадцати работ, в том числе исследований теоретического характера: «О встречных пробелах» (1925), «Иконописные формы как формулы синтеза» (1926), «Структура пробелов» (1927), «Параллельность и концентричность в древней иконе как признаки диатоксической организованности» (1927).