В. Вернадский внес существенный вклад в минералогию и кристаллографию. В 1888-1897 он разработал концепцию структуры силикатов, выдвинул теорию каолинового ядра, уточнил классификацию кремнеземистых соединений и изучил скольжение кристаллического вещества, прежде всего явление сдвига в кристаллах каменной соли и кальцита.
В 1890-1911 разработал генетическую минералогию, установил связь между формой кристаллизации минерала, его химическим составом, генезисом и условиями образования.
В эти же годы Вернадский сформулировал основные идеи и проблемы геохимии, в рамках которой им были проведены первые систематические исследования закономерностей строения и состава атмосферы, гидросферы, литосферы. С 1907 вёл геологические исследования радиоактивных элементов, положив начало радиогеологии.
В. И. Вернадский при жизни опубликовал 473 научные работы.

Из философского наследия Вернадского наибольшую известность получило учение о ноосфере; он считается одним из основных мыслителей направления, известного как русский космизм.
Летом 1940 года по инициативе Вернадского начались исследования урана на получение ядерной энергии. С началом войны был эвакуирован в Казахстан, где создал свои книги «О состояниях пространства в геологических явлениях Земли. На фоне роста науки XX столетия» и «Химическое строение биосферы Земли и её окружения».

Во время войны В. И. Вернадский был эвакуирован в село Боровое в Казахстане. В феврале 1943 года там скончалась его жена Наталья Егоровна, Её утрату он тяжело переживал. В 1943 году к 80-летию со дня рождения «за многолетние выдающиеся работы в области науки и техники» В. И. Вернадский был удостоен Сталинской премии 1 степени.

В конце 1943 года В. И. Вернадский вернулся из Казахстана в Москву. 25 декабря 1944 года у него произошёл инсульт. Владимир Иванович Вернадский скончался 6 января 1945 года в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

1965 — Академией наук СССР была учреждена Золотая медаль имени В. И. Вернадского. Присуждается 12 марта, раз в 3 года, за выдающиеся научные работы в области наук о земле.
1998 — Международным межакадемическим союзом (ММС) был учреждён орден «Звезда Вернадского» I, II и III степени
09.06.2003 — постановлением Президиума НАН Украины учреждена Золотая медаль им. В. И. Вернадского (укр. Золота медаль ім. В. І. Вернадського) — высшая награда Национальной Академии наук Украины
2003 — Европейским геофизическим обществом (позднее Европейский союз наук о Земле) учреждена Медаль им. В. И. Вернадского, вручаемая ежегодно.
2 стипендии имени В. И. Вернадского для молодых учёных РАН.