Президент Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии при Московском университете(1924—1930), член Московского общества испытателей природы (1891), Русского общества акклиматизации животных и растений (1915), Общества содействия успехам опытных наук и их практических применений им. Х.С. Леденцова(1916), Ассоциации русских естествоиспытателей и врачей (1916). Почетный член Общества естествоиспытателей при Казанском университете (1919), Всероссийского общества охраны природы (1924), Киевского общества естествоиспытателей(1925) и др. Основатель и ответственный редактор «Русского зоологического журнала»(1916—1918, 1922—1935, ныне – «Зоологический журнал» РАН). Член редколлегии журнала «Русский архив анатомии, гистологии и эмбриологии»(1925—1931) и Большой Советской Энциклопедии(1926—1930).
Первая самостоятельная научная работа Северцова была посвящена постэмбриональному развитию черепа чесночницы обыкновенной(Бюллетень Московского общества испытателей природы: Нов. серия. 1892. Т. 5. № 1). И хотя она имела скорее общебиологическую, чем эволюционную направленность,так как этот вид амфибий узко специализирован, она подвела Северцова к идее, которая получила развитие в последующих его трудах, а именно, что у высокоорганизованных специализированных форм могут сохраняться многие признаки их примитивно организованных предков. Далее он перешел к изучению самых ранних эмбриональных стадий развития черепа и сравнительному изучению первичной сегментации головной мезодермы у хвостатых и бесхвостых амфибий (Бюллетень Московского общества испытателей природы: Нов. серия. 1892. Т. 6. № 1) и у рыб (в первую очередь стерляди).
Результаты последнего исследования легли в основу первой крупной работы Северцова, «Развитие затылочной области низших позвоночных в связи с вопросом о метамерии головы», опубликованной сначала в «Ученых записках Московского университета» (1895. Вып. 11), а затем, по-немецки, в «Бюллетене Московского общества испытателей природы» (1895. Т. 9. № 2). Эта работа сразу же обратила на себя внимание специалистов. По отзыву одного из ведущих анатомов того времени, она дала «для решения вопроса о метамерии затылочной области позвоночных больше, чем все исследования вместе, произведенные до сих пор». Для иллюстрации своих выводов о метамерии головы Северцов составил диаграммы, наглядно представляющие происходящие изменения; в последующих работах о метамерии такой способ представления результатов обозначался как «способ Северцова». Эту работу Северцов представил на физико-математический факультет Московского университета в качестве магистерской диссертации, но для него самого и его будущих трудов она была важна не только этим. Освоив методику филогенетического исследования, он вплотную подошел к пониманию основополагающих проблем эволюционной теории. Сам Северцов по этому поводу заметил: «…с точки зрения эволюционной теории исследование метамерных образований в затылочной области головы позвоночных дало мне не мало, ибо оно наглядно показало мне, как происходят различные фазы, или стадии, рекапитуляции признаков предков в эмбриональном развитии потомков. …я видел перед собой целый ряд вполне последовательных переходов. И изучение этих переходов было методически крайне поучительно для понимания того, как совершается сам эволюционный процесс».
