После прихода большевиков в Крым в январе 1921 г. Вернадский был уволен из университета и чуть не стал жертвой красного террора. И лишь благодаря его ученику Н. Семашко, ставшему наркомом здравоохранения, Вернадского вместе с семьей Ольденбурга в отдельном вагоне, прицепленном к санитарному поезду, отправили в Петроград. Но избежать беды не удалось. В июле ученый был арестован ЧК по так называемому «делу Таганцева». Унижения, грязь, переполненная камера и глупое обвинение в шпионаже… К удивлению охранников, Вернадский вскоре был освобожден. Чуть позднее выяснилось, что Карпинский и Ольденбург послали телеграммы Ленину и Луначарскому. Семашко и помощник Ленина Кузьмин распорядились освободить Вернадского из заключения. Не дожидаясь новых неприятностей, Владимир Иванович вместе с дочерью отправился на биостанцию близ Мурманска. Вернулся он в Петербург только осенью и сразу же окунулся в работу: занялся совместно с В. Хлопиным организацией Радиевого института при Наркомате просвещения, возглавил Комиссию по истории науки, философии и техники, свою радиохимическую лабораторию и КЕПС, а также метеоритный отдел Минералогического музея. Он всегда интересовался проблемами космоса и в конце 1930-х гг. возглавил Комитет по метеоритам и космической пыли. В результате ему удалось организовать экспедицию Н. Кулика в Сибирь, на место упавшего в 1908 г. Тунгусского метеорита.
Вернадский, избранный за свой вклад в науку профессором Парижского университета (как впрочем, и многих других), принял приглашение французских ученых и в начале лета 1922 г. уехал вместе с женой и дочерью через Прагу (где дочь осталась учиться) в Париж. Он читал лекции по геохимии и радиогеологии в Сорбонне, выпустил на французском языке книгу «Геохимия» (на русском языке книга вышла в 1927 г. под названием «Очерки геохимии»). Владимир Иванович работал в лаборатории М. Склодовской-Кюри, а получив грант от фонда Розенталя, подготовил отчет «Живое вещество в биосфере» и статью «Автотрофность человечества».
Хотя Вернадскому предлагали остаться во Франции, в 1926 г. он вернулся в Ленинград по настоянию своего ученика А. Ферсмана и президента Академии наук С. Ольденбурга, побуждаемый чувством долга «перекинуть мост между старой русской культурой и пореволюционной». Владимир Иванович, как и многие другие ученые, пошедшие на компромисс с советской властью, был убежден в скором ее крахе и считал своей обязанностью сохранить то, что еще осталось от русской науки и культуры после большевистского погрома. В конце 1926 г. вышел в свет его труд «Биосфера», и вслед за этим ученый углубился в создание новой науки — науки о живом веществе, которую он назвал биогеохимией. При КЕПСе им был организован отдел живого вещества, а затем, в 1928 г., Биогеохимическая лаборатория (БИОГЕЛ).
Тем временем против биогеохимии появились разгромные статьи. В вышедшей в 1934 г. Малой Советской энциклопедии о Вернадском писалось: «По своему мировоззрению — сторонник идеалистической философии. В научных трудах проводит идеи “нейтрализма” науки, выступает в защиту религии, мистики, исконности жизни и “живой материи” и ряда виталистических и антиматериалистических концепций, отрицая материалистическую диалектику». Многие, видя Вернадского на свободе, недоумевали: как он уцелел в годы репрессий? Однако все дело в том, что ученый обладал колоссальным практическим и теоретическим опытом в геологии (в том числе радиогеологии), а недра — это валюта и оборона. Вот почему даже в те трагические времена у ученого находились заступники. Гонения Вернадский воспринимал как «насилие над человеческой личностью», «исключительный моральный и умственный гнет». Он пытался, насколько это было возможно, материально и морально помогать ссыльным коллегам, проявлял большую личную смелость, протестуя и ходатайствуя за них перед власть имущими.
Вернадский часто выезжал за границу — в Германию, Чехословакию, Францию, Англию и другие страны, — читал лекции и работал в научных центрах. Везде он встречал уважительный прием. Учение о биосфере мало кто понимал в полном объеме, но все чувствовали его перспективность. Начиная с 1930 г. выезды за границу требовали преодоления все больших препятствий, однако отказать ученому с мировым именем было невозможно. И наверное, этот «кочевой» образ жизни помог ему уцелеть. Последний раз он выехал за границу в 1936 г. на лечение. Это время Вернадский использовал для работы над книгой «Научная мысль как планетное явление» (издана только в 1977 г.), в которой, приняв идеи Э. Леруа, вплотную подошел к созданию учения о ноосфере как логическом продолжении генетической минералогии, биогеохимии, радиогеологии, учения о биосфере. Он считал, что биосфера под влиянием научных достижений и деятельности человека постепенно переходит в новое состояние — сферу разума, или ноосферу. Последним исследованием ученого стала работа «Несколько слов о ноосфере» (1944 г.).