За время этого вынужденного, но столь необходимого отдыха, Николай Жуковский принял решение сделать научную карьеру. Однако сначала необходимо было позаботиться о хлебе насущном. Осенью 1870 года окрепший Жуковский отправился в Москву, где приступил к работе во 2-й женской гимназии. Преподавательскую работу он совмещал с самостоятельной подготовкой к экзаменам на право защищать магистерскую диссертацию. Экзамены были успешно сданы в начале 1871 года, после чего Жуковский получил право преподавать в высших учебных заведениях. Со следующего года Николай Егорович стал преподавателем математики Московского технического училища (позже Московского высшего технического училища имени Н. Э. Баумана – МВТУ). Здесь ученый проработал почти до конца своих дней. Также с 1872 года он преподавал в Практической академии коммерческих наук.
В 1876 году Николай Жуковский защитил диссертацию «Кинематика жидкого тела», получившую весьма лестные отзывы. После защиты ученый стал магистром прикладной математики и отправился в заграничную командировку, целью которой было продолжение исследований и сбор материалов для работ по гидродинамике. После возвращения на родину в октябре 1879 года Николай Егорович был назначен экстраординарным профессором аналитической механики МВТУ (штатным профессором он стал в 1887 году). Он также принимал активное участие в деятельности Политехнического общества. Примерно в это же время молодой ученый стал проводить первые исследования в области воздухоплавания и аэродинамики. Некоторые из его экспериментов были не только интересными, но и опасными, например, он сделал шелковые крылья на бамбуковом каркасе, надевал эти крылья на себя и, изучая действие подъемной силы, съезжал на велосипеде с горы, развивая очень большую скорость. 1 ноября 1881 года Жуковский выступил со своим первым докладом, касающимся вопросов воздухоплавания.
30 апреля 1882 года Николай Егорович успешно защитил докторскую диссертацию «О прочности движения». Это дало ему возможность преподавать в Московском университете. В 1885 году Жуковский занял должность приват-доцента, а еще через год экстраординарного профессора. Теперь преподавательская нагрузка ученого стала просто колоссальной, но при этом он успевал заниматься и научной работой. В том же 1885 году вышла серьезная и важная работа «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью». Сочинение это было удостоено премии Московского университета как лучшее сочинение по математике. Свое практическое применение исследования, начатые Жуковским в этой области, нашли только в XX веке, при расчетах движения ракет, баки которых наполнены горючим, но и в конце XIX столетия работа стала известна в научных кругах и получила заслуженное одобрение.
Тем временем ученого все больше и больше занимала проблема покорения воздушной стихии. В 1889 году он принял участие во Всемирном конгрессе воздухоплавателей в Париже, в начале 1890-го выступил с докладом «К теории летания» на съезде русских естествоиспытателей. В нем Николай Егорович впервые задался вопросом о происхождении подъемной силы. Далее последовал целый ряд работ и докладов по динамике полета. В 1890-х годах Жуковский опубликовал более сорока работ. Одним из первых стал труд «О парении птиц», в котором исследовались механизмы парения с набором и потерей высоты, изучались траектории передвижения центра тяжести птицы, приводились результаты экспериментов по измерению подъемной силы, рассматривались возможности исполнения летательными аппаратами сложных маневров, в том числе и «мертвой петли», которую через 21 год выполнил русский летчик Петр Нестеров.
Не прекращал Жуковский и исследования в области гидродинамики. В 1890 году он написал работу «Видоизменение метода Кирхгофа для определения движения жидкости в двух измерениях при постоянной скорости, данной на неизвестной линии тока». Не вникая в подробности, скажем, что в этом труде ученый изложил свой собственный метод, значительно расширивший возможности гидравлических расчетов. В 1897–1899 годах он изучал причины аварий на водопроводных линиях. Итогом этих исследований стала публикация фундаментального труда «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». В нем автор ввел понятие гидравлического удара и привел целый ряд соответствующих расчетов. Эта работа также получила широкую известность во всем мире.
Очень удачно в последнее десятилетие XIX века складывалась и личная жизнь Николая Жуковского. В 1894 году Надежда Сергеевна Сергеева, гражданская жена Жуковского, родила дочь Елену, а в 1900-м – сына Сергея. Елена стала любимицей ученого, впоследствии она сопровождала отца в заграничных поездках, ездила с ним на испытания и аэродромы. Отец и дочь часто вместе посещали театры, совершали загородные прогулки.
В 1900 году кандидатуру Жуковского выдвинули в действительные члены Академии (членом-корреспондентом он был с 1894 года). Но избрание в Академию требовало переезда в столицу, а Жуковский не желал оставлять учеников и начатой работы и поэтому взял самоотвод. В 1902 году ученый построил при университете аэродинамическую трубу. Николай Егорович и его ученики разработали методику аэродинамических исследований, сконструировали некоторые приборы. В 1904 году в Кучино под Москвой был открыт Аэродинамический институт. Основан он был на деньги мецената Д. П. Рябушинского, а руководил созданием института Жуковский.
Тем временем ученый продолжал настойчиво искать природу подъемной силы. Первый сдвиг в этой области произошел осенью 1905 года. 15 ноября в Математическом обществе был прочитан доклад Жуковского «О присоединенных вихрях», затем последовала работа «О падении в воздухе легких продолговатых тел, вращающихся около своей продольной оси». В этих работах Жуковский изложил открытый им принцип образования подъемной силы и сформулировал формулу для ее расчета. Отныне конструкторы летательных аппаратов были избавлены от необходимости действовать вслепую и могли заранее производить необходимые расчеты.
В 1908 году Николай Жуковский основал при МВТУ кружок воздухоплавателей. В него вошли многие его ученики, которые впоследствии стали известными учеными и конструкторами: Александр Архангельский, Владимир Ветчинкин, Гурген Мусинянц, Григорий Сабинин, Борис Стечкин, Борис Юрьев, Алексей Туполев и другие. В следующем году при училище было заложено строительство аэродинамической трубы. В 1910 году Николай Егорович возглавил Московское общество воздухоплавателей. Этот год ознаменовался и началом новых исследований. Вместе с одним из самых талантливых своих учеников, Сергеем Алексеевичем Чаплыгиным, в 1910–1912 годах Жуковский создал ряд работ, в которых подробно описал силы, действующие на крыло, разработал математический аппарат для расчета обтекания крыла и метод теоретического построения профилей крыла (профили Жуковского – Чаплыгина).
С 1904 года Жуковский занимался еще одной важной проблемой – теорией гребного винта. В период с 1912 по 1918 год им были опубликованы работы, в которых излагалась вихревая теория гребного винта. Впоследствии эта теория стала основой для проектирования современных воздушных винтов.
Во время Первой мировой войны Жуковский принимал активное участие в подготовке военных кадров: читал курс по баллистике, воздухоплаванию. Также он разрабатывал теорию бомбометания, проводил исследования по баллистике, гидромеханике. Не оставлял ученый и аэродинамику, с 1913 по 1920 год он опубликовал целый ряд статей, в которых разработал основы аэродинамических расчетов. В частности, много внимания Жуковский уделял вопросам устойчивости и прочности аэропланов.
После прихода к власти большевиков Николай Егорович при поддержке коллег и учеников добился создания Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Институт был открыт 1 декабря 1918 года, а Жуковский назначен председателем его научной коллегии. Тем временем условия жизни и работы ученого в послереволюционной России никак нельзя было назвать идеальными. Скорее всего, именно это и подорвало его здоровье. В феврале 1920 года Жуковский заболел воспалением легких. Его состояние усугубило и тяжелое потрясение: 15 мая от туберкулеза умерла горячо любимая дочь. Правда, лечение в одном из лучших подмосковных санаториев принесло свои плоды, и здоровье Николая Егоровича постепенно пошло на поправку. В июне он снова смог работать: дописал две начатые ранее статьи, посетил ЦАГИ. Но 29 июня у ученого случился инсульт, и он был частично парализован. Несмотря на это, Жуковский продолжал работать: продиктовал автобиографию, курс программ для МВТУ и Института инженеров красного воздушного флота, который возглавил в сентябре. Но в конце года Николай Егорович заболел тифом и перенес второй инсульт. На этот раз победить болезни ему не удалось – 17 марта 1921 года ученого не стало.