Защита магистерской диссертации состоялась в 1889 году. А мысли Зелинского были устремлены уже дальше. Учёный решил подробнее изучить явление стереоизомерии на целом ряде производных предельных двухосновных карбоновых кислот, которые согласно теории должны давать стереоизомеры. Зелинский таким методом получил производные янтарной, глутаровой, адипиновой и пимелиновой кислот.

Он делает вывод, что «явления стереоизомерии среди углеродных соединений должны быть признаны фактом действительно существующим и теми учёными, которые относились с сомнением и враждебно к возможности существования изомеров, структурно идентичных. Теория строения не предвидела таких случаев изомерии… но стоило только формулам строения придать стереометрическое значение, как то, что казалось непонятным, приняло новую и ясную форму, нисколько не подрывая основ теории химического строения, но, напротив, всё далее её развивая и совершенствуя». Диссертация была блестяще защищена в 1891 году.

Летом 1891 года Зелинский получает неожиданное приглашение принять участие в глубоководной экспедиции по исследованию Чёрного моря. Во время экспедиции он взял для анализа пробы фунта с разных глубин в пяти различных пунктах Чёрного моря, чтобы выяснить источник сероводорода в Чёрном море. Анализы Зелинского убедительно показали, что сероводород в море является продуктом жизнедеятельности особых бактерий, живущих на дне моря.

Осенью 1893 года Николай Дмитриевич приступил к работе в Московском университете. Он возглавил кафедру органической химии и одновременно стал заведовать аналитической и органической лабораториями.

В Московском университете в полной мере проявились выдающиеся педагогические способности Зелинского. На основании существовавших учебников и собственного богатого опыта он создал свой оригинальный курс органической химии. Лекции по этому предмету Зелинский читал просто и понятно, сопровождая их постановкой многочисленных интересных и разнообразных опытов. Они помогали студентам лучше запомнить и понять обширный материал. Лекции Зелинского отличались логичностью построения, умелым увязыванием современных теоретических воззрений с экспериментальными данными.

Наряду с большой научно-педагогической деятельностью в университете Зелинский много времени уделял общественной работе вне университета. Он организовывает кафедру органической химии на вновь открывшихся в 1900 году Московских высших женских курсах и становится её руководителем. В начале века по предложению министерства финансов Николай Дмитриевич оборудует в Москве Центральную лабораторию, из которой впоследствии вырос Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ. В 1908 году он принимает деятельное участие в организации народного университета А. Л. Шанявского. Вступив в Русское физико-химическое общество ещё в 1887 году, Зелинский за пятьдесят лет сделал на его собраниях около ста пятидесяти докладов. В 1924 году за эту педагогическую деятельность ему присудили большую премию им. А. М. Бутлерова.

Участие в перечисленных обществах давало Зелинскому возможность жить полнокровной общественной жизнью и в то же время продолжать активную экспериментальную и теоретическую работу в области органической химии, выявлять новые пути синтеза и новые закономерности.

У Зелинского была в распоряжении маленькая лаборатория с двенадцатью рабочими студенческими местами. В этой лаборатории учёный и продолжил экспериментальные исследования, вытекавшие из методов синтеза, применённых им ранее в работах по получению замещённых двухосновных кислот жирного ряда и по замыканию гетероциклов.

Теперь он решил попытаться подойти к замыканию алициклического кольца и синтетически получить углеводороды, содержавшиеся в нефти. Эту задачу Зелинскому удалось разрешить блестяще. Он синтезировал свыше двадцати пяти различных циклоалканов и изучил на индивидуальных соединениях их свойства и характерные для них реакции.

Последующие исследования Зелинского были направлены на определение химических свойств углеводородов, разработку синтетических методов их получения. Они сыграли особую роль в последующей многолетней работе учёного по созданию методов переработки нефти и по нефтехимическому синтезу. Особое внимание Зелинского привлекали циклические нафтеновые углеводороды.

Один за другим в лаборатории Зелинского синтезировались циклоалканы. Углеродные цепи приобретали всё более причудливые очертания: за трёхчленными циклами последовали четырёхчленные, пятичленные и с большим числом атомов углерода. В 1905 году на заседании отделения химии Русского физико-химического общества Николай Дмитриевич докладывает о получении метилциклогептана, а в 1906-м — пропилциклогептана. Проходит ещё один год, и учёный сообщает о синтезе девятичленного цикла. Ещё через два года были получены циклы невиданных размеров — по двадцати и сорока атомов углерода в кольце.

Работа по синтезу циклических углеводородов и их производных приобретала всё больший размах. Зелинский ставит перед руководством университета вопрос о расширении лаборатории. По примеру своего предшественника В. В. Марковникова он принимает деятельное участие в проектировании, а затем и в строительстве нового помещения, которое закончилось в 1905 году.

Во время событий 1904–1905 годов Зелинский открыто поддержал революционное движение студенческой молодёжи. Когда полиция, направленная для подавления студенческих волнений, ворвалась в аудиторию и напала на учащихся, Зелинский выступил в защиту студентов.

В 1911 году царское правительство вновь попыталось вмешаться в жизнь Московского университета. В знак протеста Зелинский вместе с группой прогрессивных профессоров покинул университет и переехал в Петербург. В Петербурге ему не удалось получить место профессора в высшем учебном заведении. Он вынужден был работать в примитивно оборудованной лаборатории министерства финансов, лишённый своих преданных сотрудников. И, тем не менее, даже в таких условиях он сумел выполнить немало значительных работ.

Результаты исследований по катализу, проведённых Зелинским в годы перед Первой мировой войной, заслуженно выдвинули его в число выдающихся учёных, работавших в области органической химии.

Вклад Зелинского в развитие гетерогенного катализа заключается, прежде всего, в том, что он применил катализаторы в мелкораздробленном виде на веществах-носителях (асбест, уголь) и таким образом добился значительного увеличения их активной поверхности.

В 1911 году Зелинским при исследовании дегидрогенизации шестичленных циклов было открыто чрезвычайно интересное явление — необратимый катализ. В начале работ в этом направлении Николай Дмитриевич отмеченное явление называл «в высшей степени загадочным». Но последующие исследования показали общность описанного явления для всего класса соединений. Так был открыт дегидрогенизационный катализ — каталитические превращения насыщенных углеводородов, приводящие к образованию ненасыщенных соединений за счёт отщепления водорода, ставший самостоятельным разделом каталитической химии и основой целой отрасли нефтепереработки.

Новое открытие учёного — гидрогенизационный катализ представляет собой каталитическую реакцию присоединения водорода к ненасыщенным соединениям. И, наконец, Зелинский стал пионером в области каталитической изомеризации — процессе изменения структуры соединения в присутствии катализаторов.

Многогранные исследования по органическому катализу Зелинского вылились в самостоятельное направление науки и промышленности — биохимию и нефтехимию.

Прошло много лет со дня публикаций трудов Зелинского по органическому катализу, но они по-прежнему являются образцом эксперимента и научного предвидения. Совершенствование экспериментальной техники сегодня заставило пересмотреть ряд положений, выдвинутых Зелинским, но, тем не менее, органический катализ как научное направление связан по-прежнему с именем замечательного учёного.

Зелинский работал в Петербурге, когда вспыхнула Первая мировая война. Германия первой применила химическое оружие. Когда стало известно об этом преступлении, Зелинский разработал специальный фильтр, защищающий людей от боевых отравляющих веществ с высокой молекулярной массой. Несмотря на значительное противодействие со стороны царских властей и прямую враждебность продажных чиновников, Зелинскому удалось при помощи изобретённой им угольной противогазовой маски спасти жизнь тысяч русских солдат.