Со временем отношения между Генкелем и Ломоносовым стали заметно ухудшаться. Нужно помнить, что Ломоносову исполнилось 28 лет, он был уже вполне сложившимся человеком, которого не могла не раздражать педантичная опека Генкеля, и, по всей вероятности, он своего раздражения не скрывал. Росло взаимное недовольство, завершившееся полным разрывом. В первых числах мая 1740 г. без денег и пожитков Ломоносов ушел из Фрейберга, чтобы вернуться на родину. После бесплодных попыток найти русского посланника Кайзерлинга Ломоносов вернулся в Марбург, где 26 мая обвенчался с Елизаветой-Христиной Цильх, с которой он близко познакомился во время учебы в Марбургском университете. После этого он снова отправился в путь, побывал в Амстердаме и Гааге, но поняв, что без разрешения Академии наук ему возвращаться в Петербург не следует, снова отправился в Марбург. Разрешение на выезд Ломоносов получил лишь в апреле 1741 г. и 8 июня прибыл в Петербург.
С этого времени началась его служба в Петербургской Академии наук, основанной Петром I и официально отпраздновавшей свое открытие в декабре 1725 г. В проекте Устава Академии, утвержденном Петром незадолго до его смерти, предусматривалось приглашение иностранных ученых, в обязанность которым вменялось вести научные занятия и заниматься подготовкой русских научных кадров в учрежденных при Академии университете и гимназии. На приглашение откликнулись люди блестящих способностей, проявить которые помогала чрезвычайно благоприятная обстановка, царившая в Академии. В Европе были закуплены самые лучшие физические и оптические инструменты, из купленных и переданных из частных рук книг составлена прекрасная библиотека. Академии был передан первый в России естественнонаучный музей — Кунсткамера, а для обслуживания научных исследований в составе Академии имелись инструментальные мастерские, типография с гравировальной мастерской и книжная лавка. Таким образом, в Петербурге был создан научный комплекс, равного которому, пожалуй, не имела ни одна академия Западной Европы,
Приехавшие в Россию математик Леонард Эйлер, физик Даниил Бернулли, астроном Жозеф Николя Делиль и другие ученые развернули серьезную научную работу. Академия стала издавать свой научный журнал «Комментарии Петербургской Академии наук» (с 1748 г. — «Новые комментарии…»).
Однако со временем при часто сменявшихся на троне преемниках Петра I обстановка в Академии стала ухудшаться. Покинули Россию талантливейшие ученые, Академия осталась без президента, а ее фактическим главой стал советник академической канцелярии И. Шумахер. Прекрасно разбираясь в сложившейся в стране обстановке, Шумахер понял, что при вот-вот готовом прорваться недовольстве засильем иностранцев покровительство молодому русскому ученому может сослужить ему хорошую службу. Этим, скорее всего, объясняется милостивый прием, оказанный Ломоносову, и снисходительное отношение к самовольному уходу от Генкеля. Шумахер поручил Ломоносова заботам профессора И. Амана, под руководством которого молодой ученый должен был закончить составление Каталога камней и окаменелостей, находящихся в Минералогическом кабинете Кунсткамеры. Одновременно Ломоносов стал переводить на русский язык статьи профессора физики Г. В. Крафта, предназначенные для журнала «Примечания на Ведомости».
Однако выполнять только рутинные поручения находящийся в расцвете сил Ломоносов, конечно, не мог. Он впервые выступает в печати как поэт и в то же время изобретает «катоп-трико-диоптрический зажигательный инструмент» — своеобразную солнечную печь, при помощи которой можно было достигать недосягаемых тогда иным способом высоких температур. Одновременно Ломоносов начал работу над первым систематизированным руководством по горному делу на русском языке «Первые основания металлургии или рудных дел» и составил знаменитые «276 заметок по физике и корпускулярной философии» — программу исследований в области естественных наук.
В начале января 1742 г. Ломоносов получил звание адъюнкта физического класса, что давало ему право на самостоятельную научную работу и возможность участия в работе Академического собрания.
В это время прорвалось недовольство против самоуправства и злоупотреблений Шумахера. По жалобе А. К. Нартова — руководителя инструментальных мастерских Академии и академика Делиля Шумахер был арестован, расследованием дел в Академии занялась специальная комиссия, а Ломоносов, всей душой сочувствующий жалобщикам, потерял осторожность. Его необузданное по отношению к академическим иностранцам поведение вызвало сильнейшее и в общем-то справедливое негодование всех профессоров, которые сперва исключили его из Академического собрания, а позже подали на него жалобу.