В 1870 году Сеченов покидает Медико-хирургическую академию в знак протеста против отказа в назначении выдающегося ученого И. И. Мечникова профессором зоологии.
В 1870 году Сеченов покидает Медико-хирургическую академию в знак протеста против отказа в назначении выдающегося ученого И. И. Мечникова профессором зоологии и в 1871 году перебирается в Одессу, где руководит кафедрой физиологии Новороссийского университета. Здесь ученый возвращается к исследованиям газообмена в крови при помощи своей модели абсорбциометра. Он первым предположил, что в эритроцитах углекислый газ не только растворяется и присутствует в виде бикарбоната, но и образует химическое соединение углекислоты с гемоглобином (карбоксигемоглобин). Исследования Сеченовым влияния атмосферного давления на газообмен позволили ему в 1879 году объяснить трагический случай с гибелью от удушья пилотов французского воздушного шара «Зенит» и тем самым положить начало авиационной медицине.
Идеи Сеченова перевернули взгляд на физиологию нервной системы, в частности на психические процессы, как на что-то, неподвластное изучению
Сеченов обращается к вопросам психологии: на вышедшую в 1871 году книгу историка и правоведа Кавелина «Задачи психологии», которая предполагалась как критика «Рефлексов», ученый пишет статью «Кому и как разрабатывать психологию». В ней он говорит о том, что «даже духовная жизнь, насколько она может быть предметом научных исследований, есть явление земное» и необходимо изучать психические процессы методами физиологии. Позднее на эту же тему выйдут другие работы Сеченова: «Элементы мысли», «Впечатление и действительность», «О предметном мышлении с физиологической точки зрения», «Учение о несвободе воли с практической стороны». Сеченов мечтает о том, что с помощью знаний о физиологии мозга удастся со временем создать «людей-рыцарей», которые не способны на безнравственные поступки. Он уверен в том, что «только при развитом мной воззрении на действия человека в последнем возможна высочайшая из добродетелей человеческих – всепрощающая любовь, то есть полное нисхождение к своему ближнему».
К сожалению, в Новороссийском университете продолжать исследования было крайне тяжело: не хватало оборудования и реактивов. Отсутствие медицинского факультета препятствовало Сеченову в создании своей исследовательской научной школы. Поэтому ученый в 1876 году с радостью принимает назначение сверхштатным ординарным профессором физиологии Санкт-Петербургского университета.
В сентябре 1878 года начались первые лекции на Бестужевских высших женских курсах, имевших статус университетского образования, – в их создании Сеченов принимал самое деятельное участие и читал там курс физиологии.
В 1888 году в жизни Сеченова происходят два важных события: он венчается со своей давней любовью Марией Боковой, и в это же время создается отдельная физиологическая лаборатория при Петербургском университете. Но атмосферы товарищества между Сеченовым и руководством университета не складывается – ему отказано в звании заслуженного профессора. В 1889 году Сеченов покидает Петербург и становится приват-доцентом Московского университета. Он избран президентом I Международного психологического конгресса 1889 года в Париже. В 1891 году Сеченов возглавил в Университете кафедру физиологии, где преподавал до 1901 года. В том же 1891 году на основе его лекций опубликована книга «Физиология нервных центров», в которой обобщены и описаны все виды нервной деятельности – от простейших рефлексов до психических реакций, дано руководство по экспериментальной психологии.
В сентябре 1878 года начинаются первые лекции на Бестужевских высших женских курсах, имевших статус университетского образования, – в их создании Сеченов принимал самое деятельное участие и читал там курс физиологии.
В 1894 году Сеченовым на основании физиологических критериев установлена рекомендуемая длина рабочего дня (шесть – максимум восемь часов), в 1901 году физиологии труда посвящен «Очерк рабочих движений человека». Иван Михайлович научно обосновал тот факт, что работоспособность восстанавливается быстрее в условиях активного отдыха или переключения с одного вида деятельности на другой («эффект Сеченова»). До февраля 1904 года Сеченов несколько месяцев читает лекции по физиологии в Пречистенских классах для рабочих, пока ученому-материалисту не было отказано в преподавании. Императорская академия наук избрала Сеченова почетным членом за год до его кончины, и то только под влиянием научной общественности.