Вернувшись в университет, Шмальгаузен стал активно интересоваться биологическими дисциплинами. Под руководством приват-доцента М.М. Воскобойникова он быстро освоил микроскопическую технику и взялся, по предложению профессора А.Н. Северцова, за специальное исследование эмбрионального развития легких у змей. Эта работа была выполнена им за три месяца, после чего он сразу взялся за новую работу по теме «Свод сведений по истории развития конечностей позвоночных». В ходе данной работы им было проведено сравнительное исследование развития конечностей у бесхвостых амфибий. За эту работу ему была присуждена золотая медаль. В студенческие годы Шмальгаузен не оставался вне политики – он принимал участие в работе кружков и активно участвовал в революционном движении студенчества. Эта работа и новый перерыв в занятиях привели к потере еще одного года. Лишь весной 1907 г. Шмальгаузен завершил обучение в университете. Однако к этому времени он успел уже опубликовать работу о развитии легких у ужа (1905) и краткие сообщения о развитии конечностей бесхвостых амфибий. В это же время он начал свою педагогическую деятельность – сначала в качестве ассистента у профессора М.М. Воскобойникова на Высших женских курсах (1905–1906), а на следующий год, с осени 1906 г., в качестве ассистента у профессора А.Н. Северцова. В 1907 г. Шмальгаузен был зачислен сверхштатным лаборантом и выполнял все ассистентские обязанности по курсам А.Н. Северцова вплоть до отъезда последнего в Москву весной 1911 г. После этого он еще год оставался в Киеве, работу в университете совмещал с преподаванием в Киевском политехническом институте, а весной 1912 г. по приглашению своего учителя А.Н. Северцова переехал в Москву в качестве старшего ассистента Института сравнительной анатомии Московского университета. Здесь ему было поручено ведение большого практикума по сравнительной анатомии позвоночных животных.
В 1912 г. еще в Киеве И.И. Шмальгаузен сдал магистерские экзамены и в 1913 г. был включен в число приват-доцентов Московского университета. В 1914 г. он защитил магистерскую диссертацию на тему «Непарные плавники рыб и их филогенетическое развитие», а в 1916 г. – докторскую диссертацию «Развитие конечностей амфибий и их значение в вопросе о происхождении конечностей наземных позвоночных». Обе эти работы являлись логическим продолжением начатых еще в студенческие годы исследований. Первая работа содержит много нового фактического материала о развитии скелета и мускулатуры и дает новое понимание эволюции плавников и в особенности хвостового плавника. Эта работа была завершена исследованием истории развития плавника двоякодышащей рыбы Protopterusи большим экспериментальным исследованием функций рыбьих плавников, проведенным на Неаполитанской зоологической станции летом 1914 г. Работа по истории развития пятипалой конечности была дополнена изучением сибирского углозуба, а также исследованием истории развития плечевого пояса бесхвостых амфибий. Шмальгаузен сравнил скелеты ископаемых стегоцефалов и примитивных рептилий и восстановил основные процессы генезиса конечностей наземных позвоночных.
