В 1745 году Г. В. Рихман вместе с Ломоносовым разработал первый электроизмерительный прибор экспериментального наблюдения — «электрический указатель», который, в отличие от уже использовавшегося электроскопа, был «снабжён деревянным квадрантом со градусной шкалой для измерения степени электричества». «Громовая машина», созданная ими, имела принципиальные различия с приборами других учёных, в том числе и с «электрическим змеем» Б. Франклина, давала возможность стабильного наблюдения при любом изменении электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде. На очередном торжественном собрании Петербургской Академии Наук академики Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов должны были сделать доклад об электричестве. 26 июля 1753 года во время опытов в ходе наблюдения грозовых явлений Г. В. Рихман был убит ударом молнии.
26 ноября 1753 года Ломоносов сделал большой доклад «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», причем на русском языке. Он представил строго научную теорию атмосферного электричества. Можно упомянуть также, что ода «Вечернее размышление о Божием величестве при случае великого северного сияния» (1743), напечатанная в 1747 году в «Риторике», указывает на выявленную им природу северного сияния еще за 10 лет до доклада.
В декабре 1759 года М. В. Ломоносов и И. А. Браун первыми получили ртуть в твёрдом состоянии.
В рамках метеорологических исследований, в том числе измерений на разных высотах (температура, давление и т. д.), М. В. Ломоносов, независимо от идеи Леонардо да Винчи, чьи труды были опубликованы только в XIX веке, разработал летательный аппарат вертикального взлёта — первый прототип вертолёта с двумя винтами. Однако он не подразумевал пилотируемых полётов — только подъём метеоприборов. Документы показывают, что учёный сделал его действующую модель. Это следует из протокола конференции Академии наук от июля 1754 года.
Ломоносов пришёл к выводу о трёхслойности атмосферы. В нижнем слое протекают наиболее значительные изменения, отражающиеся на поверхности планеты. В частности, Ломоносовым сформулировано представление о конвективных, то есть восходящих и нисходящих токах воздуха и связанных с ними электрических явлениях. Средний слой отличается постоянством низкой температуры. Верхний не зависит от земной поверхности. Ломоносов обосновывал формирование морского и континентального климата, влияние высоты места на климатические условия и отдавал должное влиянию широты местности в процессах климатообразования.
Ломоносов дал классификацию природных льдов, обосновал различия температуры льдообразования воды с различной минерализацией. Предположил наличие постоянного перемещения льдов из восточных секторов Арктики в сторону Атлантики.
Наиболее полное представление Ломоносова о строении земной поверхности и изменениях содержится в его работе «О слоях земных», которую называют началом русской научной геологии. Ломоносов выдвинул гипотезу о существовании зон с быстрыми и медленными вертикальными движениями земной тверди в зависимости от силы «внутреннего огня», о первостепенном вкладе этих движений в происхождение крупнейших неровностей земной поверхности.
Он подготовил карту Арктики как обширного океанического пространства с предполагаемым положением берегов Северной Америки. Ломоносов выдвинул идею систематического обновления географических карт через каждые 20 лет. Он ввёл в научный оборот термины «экономическая география» и «экономическая ландкарта».
Ломоносов в 1743 году написал «Краткое руководство к риторике» на русском языке. Основной же его труд в этой области так и называется — «Риторика» (1748). Эта книга стала первой в России хрестоматией мировой литературы, включавшей также лучшие произведения отечественной словесности.
«Российская грамматика» Ломоносова — нормативное описание русского языка, в которой излагается учение о частях речи. Литературным языком и произношением он считает «московское наречие»: «Московское наречие не только для важности столичного города, но и для своей отменной красоты прочим справедливо предпочитается». Ломоносов ввёл понятие художественно-выразительных приёмов. Разработал теорию трёх штилей (книга «Рассуждение о пользе книг церковных в российском языке»).
Работал он и в области поэтической теории и практики, осуществив совместно с В. К. Тредиаковским силлаботоническую реформу («Письмо о правилах российского стихотворства»), причём именно опыты Ломоносова были восприняты поэтами в качестве образцовых. Создал по немецкому образцу классический русский четырёхстопный ямб. Он основоположник русской торжественной (обращённой к правителям) и философской оды.
Основной труд по истории — «Древняя Российская история», изданная уже после смерти автора. М. В. Ломоносов начинает историю славян и «россов» со времён Римской империи. Сравнительный анализ античных верований восточных славян обнаруживает множество сходных элементов. По его мнению, корни формирования языческого пантеона одни и те же.