По возвращении в 1862 году в Россию И.А. Вышнеградский был утверждён профессором практической механики Михайловской артиллерийской академии, а вскоре и профессором механики Петербургского технологического института. В обоих этих учебных заведениях он развернул интенсивную профессорскую деятельность. Он читал различные курсы по машиностроению и машиноведению (курсы грузоподъёмных машин, токарных станков, паровых машин и др.) и по смежным дисциплинам (по прикладной механике, теории упругости, термодинамике), а также вёл курсовое и дипломное проектирование.
Вот как характеризует эту его деятельность В.Л. Кирпичёв, один из выдающихся учеников И.А. Вышнеградского, в речи, посвященной его памяти: «Многочисленные бывшие слушатели Ивана Алексеевича сохраняют восторженные воспоминания о его лекторском таланте. Он имел редкий дар приковывать внимание слушателей к объясняемому предмету, заинтересовывать их, и всё им рассказанное запечатлевалось в памяти надолго, если не навсегда... В то же время он умел просто и ясно излагать самые трудные теории или, лучше сказать, при его исследовании в науке вовсе не оказывалось ни тёмных, ни трудных мест... Кроме чтения лекций, Иван Алексеевич руководил проектированием слушателями различного рода машин: подъёмных, паровых, рабочих станков и т. д.; здесь он являлся в высшей степени полезным для своих учеников, вырабатывая из них прекрасных конструкторов. Сам покойный обладал замечательным конструкторским талантом, т.е. способностью творчества в области машиностроения, талантом создавать новое как в общем устройстве машин, так и в деталях их».
Эта интенсивная профессорская деятельность И.А. Вышнеградского была связана с научной разработкой ряда вопросов машиностроения. Ещё до заграничной командировки он отправил в «Артиллерийский журнал» две работы о пороховых прессах и в «Бюллетень Российской Академии наук» — работу о расчёте некоторых деталей водяных двигателей. В 1863 году он напечатал в «Артиллерийском журнале» работу «О прочности цепей». Ряд других научных результатов в области машиностроения И.А. Вышнеградский изложил в своих лекциях, но далеко не все из них были напечатаны. Работы по регулированию, которые прославили его имя, были опубликованы в 1877—1878 годах в «Известиях Технологического института» — издании, которое было основано самим И.А. Вышнеградским для печатания работ по различным приложениям науки к технике.
И.А. Вышнеградский не только сам вёл научную разработку вопросов прикладной механики, но и привлекал к этой работе талантливых молодых учёных, из которых некоторые впоследствии получили большую известность. Здесь следует указать, прежде всего, Н.П, Петрова — одного из наиболее выдающихся русских механиков, «отца гидродинамической теории трения», который получил математическую и механическую подготовку у М.В. Остроградского, но первыми шагами которого в области прикладных дисциплин руководил И.А. Вышнеградский; В.Л. Кирпичёва — впоследствии виднейшего учёного-инженера, автора замечательных руководств по механике и организатора высшего технического образования; А.П. Бородина — впоследствии видного железнодорожного инженера, автора ряда усовершенствований в конструкциях паровозов.
В 1871 году И.А. Вышнеградский организовал в Петербурге из своих сотрудников и учеников «пентагональное общество», душою которого был он сам. Это общество, целью которого была научная разработка вопросов прикладной механики и смежных дисциплин, получило своё название в связи с тем, что состояло из пяти членов, причём еженедельные заседания членов общества происходили поочерёдно у каждого из них. Этот небольшой кружок научных работников, распавшийся через несколько лет, сыграл определённую роль в развитии прикладной механики в России. Именно здесь И.А. Вышнеградский впервые изложил свои соображения о расчётах регуляторов, которые окончательно были оформлены им позднее.
Не менее интенсивной была деятельность И.А. Вышнеградского и в области практики машиностроения. С 1859 года он вместе со своими товарищами по Артиллерийской академии Н.В. Маиевским, работы которого по внешней баллистике впоследствии получили мировую известность, и А.В. Гадолиным, выдающимся кристаллографом и виднейшим специалистом по артиллерийской технологии, состоял членом Артиллерийского комитета, на который была возложена задача по перевооружению армии. С 1867 по 1878 год И.А. Вышнеградский непосредственно работал в Главном артиллерийском управлении в должности инженера-механика.
1860—1870-е годы — это время настоящей революции в артиллерийском и стрелковом деле. Тогда совершился массовый переход от бронзовых пушек к нарезным стальным орудиям, от сферического ядра — к продолговатому снаряду, от обычного пороха — к призматическому пироксилиновому пороху, от гладкоствольного ружья, заряжающегося с дула, — к скорострельной винтовке, имеющей патроны с металлическими гильзами.