В 1918 г. Алексей Алексеевич Ухтомский стал штатным доцентом, а чуть позже — профессором и заместителем заведующего физиологической лабораторией. После смерти Введенского в 1924 г. он возглавил работу лаборатории, стал заведующим кафедрой физиологии Ленинградского университета, которой руководил до своей кончины.

Ухтомский продолжил разработку того нового направления в физиологической науке, фундамент которого был заложен Н.Е. Введенским. Научные работы А. Ухтомского и его учеников были посвящены физиологии нервно-мышечного аппарата и нервных центров. Он ставил перед собой задачу найти на нервно-мышечном препарате принципиальные пути для постижения общих закономерностей жизнедеятельности органов, систем органов и организма в целом.

Школа Введенского—Ухтомского, лидером которой был Алексей Алексеевич, считала, что в физиологии принципиально невозможны статические закономерности. Школа ставила своей задачей установить причины и механизмы, обусловливающие постоянно меняющееся состояние живой системы, и пришла к выводу, что вне учета роли раздражителя и истории живой системы принципиально невозможно определить закономерности течения и преобразования функций в организме.

Опираясь на материалы исследований ученых своей школы, А. А. Ухтомский сформулировал взаимоотношение живой системы и раздражителя в виде следующих положений:

1) при одном и том же раздражении содержание текущей реакции определяется историей или функциональным состоянием живой системы;

2) при одном и том же функциональном состоянии живой системы содержание ее ответной реакции определяется особенностями действующего раздражителя.

Ухтомский доказат ошибочность распространенных представлений о рефлекторной деятельности, которая якобы имеет лишь защитное значение для организма и направлена на удаление или прекращение раздражения. Он подчеркнул, что рецепторы организма животного не могли развиваться, если бы рефлекторная система только защищала их от сближения с раздражителем. На примере анализа рефлекса экстензорного толчка (разгибания конечностей) А.А. Ухтомский обосновал представление, согласно которому рефлекторная система в первую очередь дает место реакциям сближения со средой, позволяющим распознавать ее, тогда как реакции защитного и отрицательного значения выступают лишь во вторую очередь.

Окончательно учение Ухтомского о доминанте было сформулировано в 1922 г. В настоящее время оно вошло в повседневный клинический обиход. В психологии доминанта принята как физиологическая основа и предпосылка поведения.

Под доминантой Ухтомский понимал временно господствующий в центральной нервной системе рефлекс или рефлекторное поведение. Господствующий в центральной нервной системе очаг возбуждения преобразует и изменяет работу прочих рефлекторных аппаратов в целом. Так, например, если в организме в данный момент осуществляется рефлекторный акт, связанный с приемом пищи, то он перестает реагировать на те раздражители, которые в других условиях вызывали бы у него защитные рефлексы. То же самое можно сказать и в отношении защитного рефлекса, полового рефлекса и т.д., когда при осуществлении одних рефлекторных движений исключается возможность выполнения других.

Доминанта — рабочий принцип и основное правило деятельности нервной системы, которому подчиняется осуществление любой рефлекторной реакции организма. Доминанта характеризуется следующими основными чертами:

1)  в центре, становящемся доминантным, повышается возбудимость;

2)  возбуждение в этом центре отличается стойкостью: оно не может быть мимолетным во времени;

3) доминирующий центр способен стимулировать возбуждение;

4) возбуждение доминантного центра обладает инерцией; дальние волны возбуждения подбадривают установившуюся доминантную реакцию, ускоряя ее разрешение;

5) возбуждение доминантного центра сопряжено с торможением других рефлекторных механизмов, не принимающих участия в доминантной реакции.

Разрабатывая учение Введенского о физиологической лабильности, Ухтомский создал собственное учение об усвоении ритма (работа 1926 г. «Усвоение ритма в свете учения о парабиозе»). Учение об усвоении ритма используется и сегодня в физиологических исследованиях для понимания деятельности нервных клеток и отдельных структур мозга, а также при конструировании ряда автоматических устройств.

В 1927 г. были опубликованы книга Ухтомского «Физиология двигательного аппарата», развивающая оригинальную систему взглядов ученого на понимание природы утомления, а также монография «Учение о парабиозе».

С 1928 г. А.А. Ухтомский, в связи с выдвинутым им учением об усвоении ритма, предпринял глубокую разработку проблемы физиологической лабильности. Лабильность — характеристика живой ткани, выражающая способность ее воспроизвести определенное максимальное число возбуждений в единицу времени. Длительность протекания одиночного возбуждения характеризует ритм возбуждений, который способен воспроизвести тот или иной орган в единицу времени. Для классической физиологии этот ритм является постоянной и неизменной характеристикой органа, что привело к представлению о собственном ритме, различном и неизменном для разных органов.

Ухтомский установил способность органов и организма в целом перестраивать ритм своих возбуждений в соответствии с ритмом раздражений, навязываемым извне. Орган способен в широких пределах менять ритм воспроизводимых им возбуждений, удлиняя или укорачивая длительность протекания каждого возбуждения в отдельности, что дает возможность органу усваивать более высокие ритмы раздражения, присущие тому или иному органу. Им было доказано, что в процессе усвоения ритма деятельность и работоспособность органа не понижается, как этого можно было бы ожидать, а наоборот, повышается, сопровождается увеличением интенсивности обмена веществ и сокращением цикла или длительности отдельного возбуждения. Этот факт огромной принципиальной важности окончательно исключил возможность понимания процесса торможения как результата истощения деятельности организма.

Опираясь на учение об усвоении ритма и физиологической лабильности, А.А. Ухтомский незадолго до смерти поставил проблему биологического равновесия. Биологические системы, по мнению Ухтомского, характеризуются скоростями восстановления равновесия, причем они либо возвращаются к исходному состоянию равновесия, либо переходят к новому состоянию равновесия. С этой точки зрения, приспособляемость организма к среде следует рассматривать не только как способность более или менее быстрого возвращения к так называемому исходному равновесию, но и как способность создания новых видов равновесия.

Алексей Алексеевич был блестящим педагогом. Каждой лекции предшествовала тщательная подготовка. В аудитории, где читал лекцию Ухтомский, можно было увидеть не только студентов, аспирантов, но и прославленных ученых. Впервые в истории высшего образования он вел курс лекций по высшей нервной деятельности и сравнительной физиологии, принимал активное участие в организации рабочего факультета при Петроградском университете (открыт в 1919 г.) и кафедры физиологии труда (работала с 1930 г.).

Одному из учеников А.А. Ухтомского, профессору М.И. Виноградову, принадлежит следующая, достаточно меткая характеристика личности Ухтомского: «Всякий, кому приходилось встречаться с этим глубоким и своеобразным умом, выносил незабываемое впечатление громадной умственной мощи и в то же время чрезвычайной тонкости и проникновенности».

В 1931 г. Алексей Алексеевич Ухтомский был награжден Ленинской премией, в 1935 г. избран действительным членом Академии наук СССР. Умер выдающийся русский физиолог А.А. Ухтомский в 1942 г. в осажденном фашистами Ленинграде.