Вступив в управление Географическим департаментом, Ломоносов прежде всего поднял дисциплину и положил конец распущенности и дармоедству. Меры к этому были примяты им еще в 1757 году, после вступления в должность члена академической канцелярии. В октябре того года от имени Разумовского была предложена «Инструкция Географическому департаменту», составленная при ближайшем участии самого Ломоносова (сохранился черновик с его поправками). Инструкция предлагает профессорам и адъюнктам, причисленным к департаменту, собираться регулярно на научные собрания «по однажды в неделю», заранее намечать программу следующих заседаний, содержать «порядочный журнал», профессорам «преподавать каждому по своей науке все к сочинению вновь или к поправлению прежних карт», адъюнктам «упражняться в действительном сочинении тех карт». Профессора обязаны показывать адъюнктам «потребные известия», т. е. знакомить их с достижениями географической науки, «выбирая новейшие и достовернейшие». Адъюнкты должны наставлять студентов, которые «в геодезии и в сочинении карт еще довольно не искусились». Члены департамента — профессора и адъюнкты — должны быть там ежедневно «до полудни», а студентам «на послеполуденное время задавать работу».

Ломоносов настаивает на том, чтобы «адъюнктам Географического департамента иметь равный голос в заседаниях» с профессорами и дозволить им «свое мнение и сумнительства пристойным образом предлагать». Узаконивает инструкция и права студентов посещать научные заседания и, «сидя за стульями членов, слушать их рассуждения и оными пользоваться». Ломоносов, несомненно, хорошо помнил, как его не допускали на научные заседания после возвращения из-за границы, и вводил эти правила для того, чтобы обеспечить рост русских ученых и создать противовес иностранцам.

Особое внимание обращает Ломоносов на хранение географических материалов, отлично сознавая их государственную важность, а в некоторых случаях полнейшую секретность. Для этого он предлагает разделить обязанности адъюнктов: одному вести журнал заседаний, а другому «иметь в своем хранении» все карты, и «ежели оным не учинено по сие время точной описи, то оную сделать немедленно». Интересно, что Ломоносов записал в черновике инструкции: «Журнал за незнанием российского яз. писать ему [адъюнкту] на немецком языке». Затем зачеркнул и потом снова восстановил. Несомненно, что, передавая ведение журнала адъюнкту-иностранцу (в данном случае Якову Шмидту, к которому Ломоносов довольно хорошо относился), он предполагал хранение материалов поручить русскому адъюнкту. При этом Ломоносов вводит особое строжайшее правило: «Без позволения Академии Наук г. президента или Академической Канцелярии членам Географического департамента никаких имеющихся во оном еще неопубликованных карт или других известий никому на сторону не сообщать. В противном случае подлежать имеют за то тяжкому ответу». Кроме того, предлагается всем членам департамента, «не записав в журнал, ничего на дом к себе не брать». Ломоносов рассчитывал положить конец такому положению, при котором русские географические материалы нелегально просачивались за границу.

Но одной инструкции было, разумеется, недостаточно. И, став во главе Географического департамента, Ломоносов начал круто наводить порядки. Он не дал спуску академику Гришову, не слишком утруждавшему себя работой по департаменту. Этого почтенного ученого интересовало только географическое положение острова Эзель, куда он то и дело отпрашивался из Петербурга для астрономических наблюдений и где задерживался подолгу. Причина этого усердия была очень проста: академик Гришов женился на прибалтийской девице по фамилии Сакен и обзавелся на Эзеле своим домом. 24 марта 1758 года Ломоносов распорядился послать Гришову указ, чтобы он «не терял времени» и под угрозой штрафа вернулся в Петербург, а «по дороге бы в Пернове и в Дерпте учинил наблюдения астрономические оных городов долготы и широты сколько потребно для географии».

Ломоносов оживляет деятельность Географического департамента. Он проводит целый ряд неотложных мероприятий, без которых этот департамент вообще не мог сохранить свое значение как научное учреждение, не говоря уже о том, чтобы должным образом развивать свою деятельность. Усилия Ломоносова были направлены на то, чтобы перестроить всю работу Географического департамента, подчинить ее государственным интересам, развернуть широкое географическое и экономическое изучение России и обеспечить, таким образом, работу по составлению нового, более подробного и совершенного атласа, для чего подготовить квалифицированные кадры русских геодезистов-картографов.

Ломоносова особенно возмущало, что «от самого начала учреждения помянутого Департамента никто при нем из Россиян не обучен ландкартному сочинению». Не ограничиваясь составлением инструкции, Ломоносов поручает профессорам Н. И. Попову и А. Д. Красильникову начать обучение студентов теории и практике астрономии, а адъюнкту Шмидту было поручено три раза в неделю «показывать геодезическую практику, ездя по здешнему городу по всем частям».

Не ограничиваясь этими мерами, Ломоносов направил в 1763 году студента Илью Аврамова с четырьмя учениками к астроному С. Румовскому для прохождения практики в астрономических наблюдениях.

22 ноября 1761 года Ломоносов потребовал особым отношением «для лутчего успеху географии Российской» выбрать из старшего класса гимназии трех или четырех гимназистов и определить их «для обучения к Географическому департаменту, чтобы они направлением и смотрением могли быть достойными геодезистами, искусными в сочинении ландкарт». Профессор Семен Котельников отобрал для этой цели четырех великовозрастных гимназистов, «в студенты произойти надежды не имеющих»: Кузьму Башуринова — 23 лет, Сергея Матвеева — 24 лет, Степана Никифорова — 21 года и Степана Кондратова — 19 лет.

Тауберт немедленно представил свое особое мнение и предложил гимназистов отослать в Географический департамент, где «их в полном собрании экзаминовать, какое они уже имеют основание в потребных к сочинению карт науках и знаниях и каковы окажутся в том их успехи, способности и надежды впредь». На это предложение, явно рассчитанное на срыв всего дела, Ломоносов решительно отвечал, что «в собрании екзаминовать дело пустое, и в полном собрании будут лишние голосы профессоров, кои о географическом деле рассуждать не могут», а поэтому он предлагает «екзаминовать самим делом» и взять гимназистов на пробу на полгода, оставив их на гимназическом жалованьи — по три рубля в месяц. «А между тем ходить им в классы продолжать учение только одной математики».

Заботы Ломоносова увенчались успехом. Из выделенных по его указанию для Географического департамента учеников сложилось надежное ядро его будущих работников. Ломоносовские питомцы геодезист Степан Никифоров проработал в департаменте до 1796 года, а геодезист Кузьма Башуринов — до 1797 года. Долго работали и ландкартный мастер Лев Терской и геодезист Осип Полидорский. Ломоносов обеспечил Географический департамент нужнейшими работниками до конца века.

Ломоносов был одним из самых выдающихся географов своего времени. Он проявил себя глубоким знатоком физической географии, геофизики, метеорологии, климатологии, занимался вопросами орографии и гидрографии, сумел поставить в своих теоретических работах много новых и важных проблем, значительно опережавших уровень современной ему науки. Например, он высказывал замечательные мысли о строении земной поверхности, выдвинул теорию о перемещении полюса и движении континентов и пр. Задолго до западноевропейских ученых он начинает заниматься геоморфологическими гомологиями и делает глубокие заключения о никому еще не известных фактах. Так, например, он блестящим образом указывает на характер и направление берегов крайнего севера Северной Америки, совершенно еще неизвестных и не только не изученных, но и не открытых. Ломоносов же на основе своих сопоставлений писал, как будто сам там путешествовал, что эти берега должны быть круты, глубоки и с них впадают в океан только небольшие реки. И эти предвидения Ломоносова впоследствии оправдались.