На 4-м курсе большое влияние на него оказал преподаватель — геолог и путешественник Иван Мушкетов. Мушкетов устроил Обручева, окончившего в 1886 г. институт, в геологическую экспедицию в Каракумы. В 1887 г. Обручев возвращается из экспедиции и отправляется в Сибирь. Там он работает в должности первого штатного геолога Сибири при Горном управлении в Иркутске, где становится выдающимся исследователем геологии Сибири, Центральной и Средней Азии. Участвуя в тибетской экспедиции Потанина, он делает важные геологические открытия.
В 1894 г. Обручев, уже как ученый с мировым именем, возвращается в Санкт-Петербург, где большой успех имеют его статьи и путевые очерки, публикуемые в газетах и журналах. В этом же году он получает высшую награду Русского географического общества — Константиновскую золотую медаль. Обручев становится лауреатом почетных научных премий, в том числе премии имени Пржевальского.
Начало 20-го века он встречает как преподаватель геологии Томского технологического института с репутацией отважного исследователя диких просторов Средней Азии, Китая, Южного Тибета и Сибири. В 1905-1906, а также в 1909 г. Обручев продолжает заниматься экспедиционной работой, исследуя горные системы Алтая и Тянь-Шаня. Но в 1912 г. ему приходится подать в отставку, чтобы избавиться от конфликта с начальством и перебраться, наконец-то, из Томска в Москву, где ему удается заняться приведением в порядок всего накопленного за четверть века научно-экспедиционного материала. В этот период им была подготовлена масса материалов по геологии, которые начинают публиковаться к началу Первой Мировой войны в журналах, ежегодниках, известиях научных институтов. В сложнейший период Октябрьской революции, затем — Гражданской войны Владимир Обручев продолжает упорно заниматься наукой.
С 1918 по 1919 гг. он работает в Симферополе, где избирается профессором Таврического университета, а в 1921 г. переезжает в Москву. В 1929 г., когда его по сумме трудов и заслуг избирают академиком АН СССР, Обручев переезжает в Ленинград и возглавляет там Геологический институт. В 1930 г. он становится председателем Комиссии по изучению вечной мерзлоты, а с 1939 г. — директором Института мерзлотоведения. С 1942 по 1946 гг. Владимир Обручев — академик-секретарь отделения геолого-географических наук АН СССР, а с 1947 г. он избирается почетным президентом Географического общества СССР.
Обручев известен, как один из первых советских популяризаторов науки и писателей-фантастов. Его самые знаменитые научно-фантастические романы «Плутония» и «Земля Санникова» навсегда остались в памяти у поколений советских школьников.
Академик Обручев был удостоен множества государственных наград и премий, его имя имеет мировую известность. Сын Обручева подсчитал, что его отец опубликовал более 70 томов научных трудов по 550 страниц каждый. Владимир Обручев прожил большую, интересную, наполненную походами и открытиями жизнь. Умер он в Москве 19 июня 1956 г., в возрасте 92-х лет. В его честь названы около 20 географических объектов на карте мира и минерал «обручевит».