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», под угрозой штрафа вернулся в Петербург и «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.
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. Ломоносов обеспечил Географический департамент нужнейшими работниками до конца века.
Ломоносов был одним из 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 и, исходя из чисто теоретических соображений, определяет характер берегов крайнего севера Северной Америки, совершенно еще неизвестных и не только не изученных, но и не открытых. А Ломоносов писал, как будто сам там путешествовал, что эти берега должны быть круты, глубоки и с них впадают в океан только небольшие речки. И эти предвидения Ломоносова впоследствии оправдались.
Ломоносов заботился о широком распространении географических знаний. В ноябре 1763 года он сообщил Академической канцелярии, что намерен «для общего употребления и пользы» приступить к изготовлению на свой счет глобусов «на российском языке» и что им уже изобретены новые «способы к деланию шаров».
«География, которая всея Вселенныя обширность единому взгляду подвергает», как выразился Ломоносов в своем «Похвальном Слове Елизавете» (1749 году), немыслима для него без картографии. Главнейшей его заботой в Географическом департаменте было собирание материалов для нового Большого Атласа Российской империи, который должен был во всех отношениях превосходить академический Атлас 1745 года. Старый Атлас, насчитывал всего девятнадцать специальных карт, а в новом предполагалось дать шестьдесят-семьдесят.
Несмотря на все трудности и препятствия, Ломоносову удалось в 1763 году подготовить в Географическом департаменте девять новых специальных карт, содержащих значительно более подробные и точные указания сравнительно со всеми предшествовавшими. Часть из них была посвящена северо-западным районам России, в особенности местностям, окружавшим Петербург и Финский залив. На других впервые были уточнены и показаны очертания северного побережья Восточной Сибири, обозначено течение великих сибирских рек. Новые карты подводили итог географическому изучению России за всю первую половину XVIII века. Однако ни одна из них не была выпущена в свет при жизни Ломоносова, и печатание их затянулось до 1773 года.
Чтобы обеспечить полноту и точность нового атласа, Ломоносов проектирует три специальные астрономические и топографические экспедиции. Каждая должна была пройти 6 тысяч верст в Европейской части России, употребив на это от полутора до двух лет. Исследование Сибири откладывалось на будущее.
Ломоносов сам подбирает участников экспедиции, разрабатывает маршруты, составляет смету. Руководителями экспедиций он намечает Красильникова, Попова и Шмидта. 24 сентября 1760 года он предложил свой проект на обсуждение в Географический департамент. Все участники обсуждения утвердили проект. Только Миллер представил несколько глубокомысленных замечаний, что «прежде как учредить такие экспедиции, которые немалой суммы требовать будут, надлежит знать, кто такие в каждый путь отправлены быть имеют, что им на оных путях делать, может ли каждый из них по тому исполнение чинить» и т. д. Вслед за этими рассуждениями Никита Попов твердым почерком приписал: «Дух празднословия не даждь ми».
Сенат изъявил согласие на отправку экспедиций и отпустил средства, но покуда посылали за санкцией к президенту Разумовскому на Украину и покуда Тауберт «спешил» с приобретением необходимых инструментов, дело успело заглохнуть. Собранные для участия в экспедиции геодезисты, «соскучившись дожиданием», разбрелись кто куда. Однако, невзирая на все препятствия и проволочки, работа над новым атласом шла полным ходом. В Географическом департаменте накопилось очень много материалов, которые позволяли готовить карты отдельных районов. Уже 18 октября 1759 года Ломоносов писал К. Разумовскому: «Сочиняются в Географическом департаменте новые карты в большом формате, Перьвая особливая карта Санктпетербургской губернии, потом Лифляндии и Эстляндии, так же и Новгородской губернии, что производится из имеющихся в Географическом архиве документов».
Ломоносов не ограничивался только наличными картографическими материалами. Он ставил перед составителями атласа новые задачи. Еще Кирилов считал необходимым присоединять к географическому атласу исторические и этнографические очерки. Ломоносов же прямо включал в программу атласа, что он должен быть снабжен «политическим и экономическим описанием всея Империи». Атлас, по мысли Ломоносова, должен отразить состояние промышленности и торговли, указывать на потребности рынка, отметить все пути сообщения и, наконец, давать сведения о природных богатствах страны. Эти сведения должны были найти отражение не только на самих картах, но и войти в подробное описание страны, приложенное к атласу. Такое описание, как подчеркивал Ломоносов в своем доношении сенату 23 октября 1760 года, должно было служить «к удовольствию любопытства здешних до знания своего отечества охотников» или «внешних географии любителей», а также быть нужным и полезным для «всех правлений и присутственных мест в государстве», «чтобы знать внутренние избытки, сообщения кои действительно есть, кои вновь учреждены, либо в лучшее состояние приведены быть могут, и чтоб вдруг видеть можно было, где что взять, ежели надобность потребует».
Ломоносов выдвигал мысль о необходимости статистическо-географического изучения России в целях планирования экономических мероприятий и учета хозяйственных ресурсов, то есть государственного руководства экономикой страны. Атлас Ломоносова должен был стать действительным орудием для дальнейшего подъема производительных сил страны. Ломоносов впервые ставил во всей широте вопрос о связи географических и экономических исследований, разрабатывал задачи и проблемы экономической географии» Необходимо отметить, что и само понятие «экономическая география» было впервые введено в научный обиход Ломоносовым и отражало его общий взгляд на взаимную связь наук.