Академия наук скоро превратилась в основной центр российской науки. Она состояла из трех «классов», или отделений: «математические науки и которые от них зависят» (изучались математика, астрономия, география, навигация и механика), «все части физики» (физика, теоретическая и экспериментальная, химия, анатомия и ботаника) и гуманитарные науки (история, право, политика, этика, красноречие). Уже из структуры Академии видно, какие широкие научные задачи ставились перед ней. В состав Академии передавались Кунсткамера и библиотека. При ней организовывались также университет и гимназия.

В первые годы правительство пригласило работать в Академию наук иностранных ученых. Среди иностранцев наряду со случайными людьми были крупные ученые — знаменитый математик Л. Эйлер, математики Н. и Д. Бернулли, историк Г. Ф. Миллер и др. Они многое дали русской науке и культуре.

Но уже скоро и русские ученые появились в стенах Академии наук. Среди них прежде всего надо назвать гениального ученого-энциклопедиста М. В. Ломоносова. Выходец из поморских государственных крестьян, он рано овладел грамотой, а затем продолжил образование в Московской славяно-греко-латинской академии. В декабре 1735 г. он был послан в Петербург для продолжения обучения в Академии наук. Менее чем через год он, как один из наиболее способных учеников, был направлен в Германию для получения научной подготовки. Здесь Ломоносов пробыл пять лет, изучая основы физики, химии, математики и горного дела, овладел немецким и французским языками и в середине 1741 г. вернулся на родину. В 1742 г. он получил в Академии наук должность адъюнкта по физике, а в 1745 г., утвержденный профессором химии, стал полноправным членом Академии наук.

Ломоносов оставил глубокий след во всех областях знания. Но прежде всего он был естествоиспытателем, физиком и химиком. Наиболее выдающимся его достижением стал сформулированный им закон сохранения материи и движения, являющийся одним из основных законов природы. В последующее время закон был уточнен и дополнен, но в сущности своей остался верным, потому что правильно отражал материалистический взгляд на мир. Много сил и энергии Ломоносов отдал атомно-молекулярной теории строения вещества. Она зародилась еще в древности, однако в течение многих веков носила умозрительный характер, не подкрепленная опытом. Ломоносов дал ей научное и опытное обоснование, создав новую науку, физическую химию, которая при объяснении физических и химических явлений исходила из взаимодействия атомов. Одним из важных его открытий было установление причин возникновения тепла и тепловых явлений. Исходя из теоретических посылок и данных опыта, он пришел к выводу, что теплота является результатом движения и взаимного трения внутренних частиц, из которых состоит вещество. Его теория теплоты отвергала признававшееся наукой того времени существование особого вещества, так называемого «теплорода», и тем самым на место вымышленных ставила действительные физико-механические связи и взаимодействия в природе, хотя и упрощенные с сегодняшней точки зрения.