В 1886 году получил предложение своего преподавателя геолога и географа И. Мушкетова принять участие в экспедиции в Центральную Азию. Ими были открыты несколько хребтов в горах Наньшань, хребты Даурский и Борщовочный, исследовано нагорье Бэйшань.
В 1892—1894 гг. участвовал в четвёртой экспедиции Григория Потанина в качестве геолога. В 1890-х гг. занимался проектированием Закаспийской и Транссибирской железных дорог. Первый штатный геолог Сибири.С 1901 по 1912 преподавал в Томском технологическом институте и был первым деканом его горного отделения.
С 1918 по 1919 — профессор Таврического университета в Симферополе.
В 1921—1929 — профессор Московской горной академии.
С 1930 — Председатель Комиссии по изучению вечной мерзлоты, с 1939 — Директор Института мерзлотоведения АН СССР.
3 апреля 1930 года академик В. А. Обручев был избран (на заседании Отделения физико-математических наук АН СССР) первым директором Геологического института АН СССР, находившегося тогда в Ленинграде.
Основные темы исследований:
