Конец 60-х гг. Ломоносов как советник академической канцелярии употребил на улучшение постановки дела в академических университете и гимназии. Он добился увеличения расходов на содержание гимназистов, обязал Миллера, бывшего в то время ректором университета, представлять более ясные свидетельства об успехах студентов. Особенно горячо взялся за дело Ломоносов, когда в 1760 г. получил в свое ведение оба академических учебных заведения. В результате принятых им мер лекции в университете «продолжались беспрестанно», успешно шли занятия и в гимназии. Так продолжалось до смерти ученого, затем университет пришел в полный упадок, а гимназия влачила жалкое существование.
Назначенный в 1758 г. главой Географического департамента Академии наук, Ломоносов начинает работу по составлению нового «Российского атласа» и добивается рассылки во все губернии географических анкет, сведения из которых могли бы помочь в создании различных карт, работает над «Рассуждением о большей точности морского пути», в котором предложил ряд новых навигационных приборов и инструментов. Вдобавок ко всему этому вместе с академиком И. Брауном проводит опыты по замораживанию ртути.
В 1761 г. ученый мир Европы готовился наблюдать одно из редких явлений природы — прохождение Венеры по диску Солнца. По предложению Ломоносова были снаряжены две экспедиции в Сибирь, а он сам наблюдал это явление у себя в домашней обсерватории. В результате Ломоносову первому в мире удалось установить, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою». Успех этого наблюдения привлек Ломоносова к вопросам практической астрономии. В 1761–1763 гг. он занимался усовершенствованием ньютонианского и грегорианского телескопов, фотометрией звезд, конструировал астронавигационные приборы.
Летом 1761 г. Ломоносов закончил подготовку к печати руководства по горному делу «Первые основания металлургии или рудных дел». В этом руководстве он поместил два прибавления, второе из них — «О слоях земных» явилось, по выражению В. И. Вернадского, «блестящим очерком геологической науки XVIII века».
Смерть Елизаветы, свержение Петра III, воцарение Екатерины II многое изменили в жизни ученого. Были вынуждены уехать за границу «для поправления здоровья» его покровители И. Й. Шувалов и М. И. Воронцов. Ломоносов остался наедине со своими усилившимися врагами. Вконец расстроенный и больной, он написал Екатерине Прошение, в котором просил уволить с академической службы с пожизненной пенсией. Екатерина подписала было указ об увольнении Ломоносова в отставку, однако уже через две недели он был отменен. Ломоносов остался в Академии, а в конце 1763 г. был произведен в статские советники с окладом 1800 рублей в год.
