Правительство МНР, поддержав замыслы советских палеонтологов, предложило АН СССР организовать экспедицию для поисков ископаемых животных. Начальником экспедиции был назначен И. А. Ефремов, обладавший к тому времени огромным опытом экспедиционных исследований, организаторскими навыками и непререкаемым авторитетом ученого и путешественника. Экспедиция проработала в МНР три полевых сезона: 1946, 1948 и 1949 гг.; 1947 г. ушел на детальную подготовку и заброску снаряжения, материалов, горючего на основную и промежуточные базы — на учет всего того, что выяснилось в ходе рекогносцировочных работ первого года.
Гобийская одиссея с ее подготовкой, проведением, обработкой материалов была важным, ответственным и длительным этапом в жизни и научной биографии Ивана Антоновича. Тем не менее он не забывал своей «первой любви» — древнейших позвоночных, исследования по которым публиковал параллельно монгольской, преимущественно динозавровой, тематике.
В 1944 г. одновременно со статьей о динозаврах Средней Азии И. А. Ефремов публикует материал о стратиграфическом расчленении верхнепермских отложений Европейской части СССР по остаткам позвоночных. Эта работа также оказывается в центре внимания геологов, так как ее выводы широко применяются для геологической съемки.
В 1946 г. выходит небольшая монография И. А. Ефремова, посвященная так называемым батрахозаврам — «лягушкоящерам» [51]. Основой ее послужили черепные остатки интереснейшего животного из Ишеева, названного лантанозухом. Ученый показал, что по морфологическим и биологическим особенностям лантанозух вместе с известными ранее североамериканской сеймурией и с котлассией с Северной Двины занимает промежуточное положение между земноводными и пресмыкающимися. Он подчеркнул, что при попытке выяснения систематической принадлежности этих трех родов к одному из классов «мы сразу же теряем под ногами почву». Совмещение в этой группе родов важнейших признаков обоих классов привело И. А. Ефремова к выводу: вся группа в целом по своему значению в эволюции древнейших четвероногих заслуживает выделения в особый подкласс. Это систематическое подразделение принято современными исследователями. Монография о батрахозаврах была последней крупной работой Ефремова, имеющей непосредственное отношение к земноводным; большинство последующих трудов посвящены его любимым зверообразным пресмыкающимся — тероморфам.
Научные интересы И. А. Ефремова развивались в нескольких направлениях и в целом охватывали всю тематику по древнейшим наземным позвоночным, включая исследования по динозавровым фаунам СССР и МНР. Ученый опубликовал около 100 работ в советских и зарубежных изданиях, написал около 200 заметок, научно-популярных статей, отзывов, рецензий и рефератов. Ефремовские отзывы при своей доброжелательности и яркости всегда точно улавливали сильные и слабые стороны диссертации. Получение отзыва от Ивана Антоновича было пределом мечтаний соискателя.
Послевоенный период биографии И. А. Ефремова, сам по себе уже достаточно насыщенный, был бы неполон без упоминания о начале его литературной деятельности. Стремительное вторжение Ефремова в литературу, как отмечали биографы, произошло в 1944 г. Почти одновременно в журналах и сборниках вышло десять рассказов, еще три — в 1945 г., и в их числе «Алмазная труба». Самобытный талант начинающего писателя безоговорочно завоевал признание. Рассказы отлично удались И. А. Ефремову — он использовал свой жизненный опыт и впечатления путешественника-естествоиспытателя, дополнил их долей фантазии и как ученый удачно вплел в повествование тему науки. В 1947 г. по горячим следам первого гобийского путешествия за динозаврами он публикует «Звездные корабли». Здесь с позиций науки о прошлом — палеонтологии — у И. А. Ефремова впервые зазвучала тема космоса.
До 1949 г. его рассказы издавались двадцать раз. Такой взрывоподобный успех и признание нечасто выпадают писателю даже при наличии большого таланта. Помимо природных дарований, очевидно, сыграло роль то обстоятельство, что к началу своего творчества И. А. Ефремов был уже профессором, широко и разносторонне образованным ученым — геологом и палеонтологом. «Рассказы, — как он шутливо говорил, — сами просились на бумагу». И через них, не теряя связи с наукой, он увидел для себя еще одну форму самовыражения и возможность передать читателю свой опыт, знания, свое мироощущение. «Огонь и воду» И. А. Ефремов прошел в своих многочисленных экспедициях, и «медные трубы» успеха не вскружили ему голову. За рассказами ему открывались другие горизонты творчества: придет время и он скажет, что рассказы — пройденный для него этап. Признание и одобрение известных писателей заставили Ефремова серьезно взглянуть на свое увлечение литературой; правда, еще не как на призвание и профессию, но уже как на род занятий, нужных и интересных прежде всего молодежи.
В 1958 г. И. А. Ефремов в составе делегации АН СССР совершил месячную поездку в КНР. По приглашению китайской Академии паук он участвовал в организации палеонтологической экспедиции во Внутреннюю Монголию. Экспедиция состоялась, но И. А. Ефремов не смог возглавить ее, как предполагалось, из-за болезни. «…Мои путешествия кончились, — писал он Н. Н. Косниковскому, — вероятно навсегда. Но стараюсь собирать журналы с фото разных мест и типов расовой красоты всех народов земного шара. Вероятно, это и есть мое современное хобби. Еще Маяковский чувствовал, что он с годами становится "подобием чудовищ ископаемо-хвостатых". Что же сказать мне, который и много старше Маяковского и всю жизнь занимался этими самыми чудовищами?» К этому следует добавить, что Иван Антонович Ефремов участвовал в 31 экспедиции, причем в 26 из них — в качестве начальника.
После экспедиции в Монголию И. А. Ефремов в поле больше не выезжал. Он вновь занялся организационной и научной работой. Уже появились первые публикации «монгольских материалов», шла препаровка монолитов со скелетами, в музее монтировались первые скелеты динозавров. В начале 50-х годов И. А. Ефремов подготовил ряд палеонтологических экспедиций сотрудников института. Так, в 1952 г. он подготовил предварительные раскопки остатков зверообразных у г. Очёр в Пермской области. Эти работы позволили выяснить перспективность этого местонахождения и показали необходимость проведения здесь капитальных исследований. В 1954 г. ученик Ивана Антоновича — Б. П. Вьюшков впервые в СССР провел успешные бульдозерные раскопки триасовых лабиринтодонтов и дицинодонтов в известном местонахождении Донгуз в Оренбуржье. И. А. Ефремов лично описал скелет дицинодонта, найденный в этом месте.
В этот период, помимо работ по монгольской тематике, И. А. Ефремов публикует материалы о находках наземных позвоночных в нижнепермских отложениях Казахстана, о деталях строения скелета из Донгуза, о находках земноводных в бассейне р. Тунгуски. Продолжая работу по стратиграфия красноцветов, он делает критический обзор этих исследований, совершенствует и детализирует свои схемы зонального распределения позвоночных. Особое место занимает его «Руководство для поисков остатков позвоночных в палеозойских континентальных толщах Сибири» [61], опубликованное в 1951 г. по горячим следам «Тафономии». Оно представляло, по существу, дополнение и практическое приложение к организации направленных поисков позвоночных. Кроме того, это руководство положило начало публикаций в Палеонтологическом институте серии аналогичных наставлений-указаний для поисков и сбора остатков по многим группам ископаемых беспозвоночных. Подобного рода пособия имели важное значение для практики геолого-съемочных работ.