В 1906 году «Петербургская газета» сообщила, что, совершенствуя чувствительность своих пластин, исследователь предполагает демонстрировать «моментальные снимки в натуральных цветах, что представляет большой успех, так как до сего времени никем не получено».
В мае 1908 года Прокудин-Горский ездил в Ясную Поляну, где сделал серию снимков, в том числе несколько цветных фотографических портретов — единственные в мире — Льва Толстого. Кроме того, известны два сделанных Прокудиным-Горским фотопортрета Фёдора Шаляпина в сценических костюмах. По некоторым сведениям, он фотографировал в цвете также членов царской семьи, но эти фотоснимки обнаружить пока не удалось; возможно, они безвозвратно утрачены.
В мае 1908 года произошло событие, которое и позволило Прокудину-Горскому создать свою знаменитую коллекцию. В Академии художеств проходила выставка достижений русских фотографов, в том числе показ на экране его цветных проекций. После этого мастеру предложили продемонстрировать свои работы Николаю II, который также увлекался фотографией. Этот визит в Царское Село подробно описан в документальной ленте «Цвет времени», представленной на портале Президентской библиотеки.
«Во время перерыва, когда был подан чай с прохладительными напитками, — вспоминал сам Прокудин-Горский, — Государь отделился от группы придворных и, подойдя ко мне, стал спрашивать, что я имею в виду делать дальше с этой замечательной работой. Я изложил ему свои взгляды на различные применения, которые моя работа могла бы иметь, и прибавил: „Вашему Величеству было бы, быть может, также интересно видеть время от времени истинную Россию и ее древние памятники, а равно и красоты разнообразной природы нашей великой Родины“». Николаю эта идея фотографа понравилась.
По высочайшему повелению мастеру был предоставлен специальный вагон-лаборатория, чтобы фотограф мог запечатлеть «в натуральных красках» все основные достопримечательности Российской империи от Балтийского моря до Тихого океана. Всего было запланировано за 10 лет сделать 10 000 снимков. Для работы на водных путях ему выделили небольшой пароход, способный идти по мелководью, с командой, а для реки Чусовой — моторную лодку. Для съёмок Урала и Уральского хребта в Екатеринбург был прислан автомобиль «Форд».
Совместно с Сергеем Максимовичем Прокудин-Горский работал над технологией цветного кино. По собственному методу он произвёл экспериментальную съёмку в Туркестане в 1911 году. Для развития цветного кинематографа и цветной печати при его участии в 1914 году было учреждено акционерное общество «Биохром», которому были переданы имущественные права на коллекцию Прокудина-Горского.
