В Киеве Шмальгаузен был председателем Общества естествоиспытателей, председателем Ученого совета Карадагской биологической станции, а в 1930 г. он организовал 4-й Всесоюзный съезд зоологов, анатомов и гистологов. С 1935 г. до самого переезда в Москву был депутатом Киевского горсовета. В 1935 г. он был избран академиком АН СССР, и ему было предложено заведование лабораторией экспериментальной зоологии и морфологии. В этом же году с присоединением к Академии Биологического института им. К.А. Тимирязева он был назначен директором этого института. В 1936 г., после смерти академика А.Н. Северцова, Шмальгаузен был избран директором Института эволюционной морфологии им. А.Н. Северцова АН СССР, и указанные учреждения были включены в состав этого института. Весной 1937 г. ученый переехал в Москву. В Москве он продолжал заниматься теоретическим исследованием факторов индивидуального развития и их значения для эволюции, а также организовал исследование основных движущих факторов эволюции в полевых и экспериментальных условиях. В 1939 г. он был избран профессором и заведующим организованной им кафедрой дарвинизма в Московском государственном университете. В этой должности он состоял до 1948 г. Помимо обеспечения учебного процесса, сотрудники кафедры под руководством Шмальгаузена вели большую исследовательскую работу. Курс теории эволюции, который он читал в Киевском университете, и курс дарвинизма, который он читал в Московском университете, послужили основой для большого руководства «Проблемы дарвинизма», вышедшего в 1946 г.
Занимаясь вопросам эволюции животных, И.И. Шмальгаузен уделял много внимания генетике, был одним из группы советских биологов, открыто выступивших на августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 г. против Т.Д. Лысенко. В результате он был заклеймен как сторонник «менделизма-морганизма» и несколько последующих лет оставался без работы. Только высокий авторитет в научном мире спас его от более серьезной кары за защиту «буржуазной лженауки», как тогда позиционировали генетику. В 1948 г. он был приглашен академиком Е.Н. Павловским на должность старшего научного сотрудника, а затем (в 1955 г.) заведующего созданной для него лаборатории эмбриологии Зоологического института АН СССР (ныне лаборатория эволюционной морфологии имени академика И.И. Шмальгаузена Института проблем экологии и эволюции РАН). В Зоологическом институте Шмальгаузен вернулся к сравнительной анатомии, в частности, к проблеме происхождения наземных позвоночных. Он последовательно изучал эволюционные преобразования у рыб и у низших наземных позвоночных черепа, осевого скелета, органов дыхания и кровеносной системы, сейсмосенсорной системы, звукопроводящего аппарата, происхождение хоан и слезно-носового протока.
