В 1868 году А. А. Иностранцев становится хранителем созданного Геологического кабинета. В основу вновь созданного музея легла обширная палеонтологическая коллекция выдающегося русского естествоиспытателя профессора Э. И. Эйхвальда, автора двухтомной монографии "Lethaea Rossica" и трехтомной "Палеонтологии России". В этих монографиях описано большое число видов ископаемых организмов преимущественно с территории Европейской части России и Урала (в музее хранится около 7 000 экземпляров). Впоследствии к этой уникальной коллекции А. А. Иностранцев присоединил сборы профессора Киевского университета А. С. Роговича, многочисленных своих учеников, свои личные многолетние сборы и дары путешественников.
В 1869 г. А. А. Иностранцев начал чтение лекций в качестве приват-доцента, а в 1870 г. стал доцентом палеонтологии и геологии.
В 1871 г. А. А. Иностранцев был командирован на полтора года в Европу, где он совершил многочисленные геологические экскурсии по Италии, в районах Праги и Вены, работал в музеях Женевы, Цюриха, Мюнхена, Вены и Праги. Он ознакомился с постановкой преподавания, музейного дела и научной работы в зарубежных университетах и музеях, установил научные связи со многими выдающимися иностранными геологами того времени.
В 1873 г., вернувшись из-за границы, А. А. Иностранцев защитил докторскую диссертацию "Геологическое исследование на севере России в 1869 и 1870 гг." и был избран экстраординарным профессором по кафедре геологии Петербургского университета. А. А. Иностранцев стал первым профессором геологии на созданной им кафедре, которую он возглавлял 49 лет - до самой своей кончины. Он постоянно работал над пополнением кафедры учебными и научными материалами, над постановкой научной работы и вовлечением в эту работу молодёжи. Огромное внимание А. А. Иностранцев уделял геологическому музею, приобретая для него новые ценные коллекции.
А. А. Иностранцев состоял профессором Петербургских Высших женских курсов, Технологического института, Военно-медицинской академии, Военно-инженерной академии, Академии Генерального штаба, где читал лекции по геологии. Им был создан первый русский курс геологии (в двух томах), выдержавший несколько изданий. По этому курсу учились многие поколения русских геологов.
А. А. Иностранцев вёл полевые геологические исследования во многих регионах - на побережье Ладожского озера, в Карелии, Крыму, Донбассе, на Кавказе, Урале, Алтае. Круг его интересов был чрезвычайно разнообразным. Он является автором значительного числа работ по петрографии, минералогии, метаморфизму, стратиграфии, палеонтологии, гидрогеологии горных пород, исследованию геологического строения севера Европейской России. Он дал первое описание коренного месторождения платины на Урале, провел обстоятельное исследование стоянки доисторического человека на побережье Ладожского озера (археологическая коллекция А. А. Иностранцева передана в Староладожский музей-заповедник).
В 1890 и 1891 гг. А. А. Иностранцев совместно с известными геологами Н. И. Каракашем и Ф. Ю. Левинсон-Лессингом провел геологические исследования на Кавказе для "выработки проекта проведения железной дороги через Главный Кавказский хребет по направлению Владикавказ - Тифлис через Архотский перевал". По окончании работ был опубликован очень обстоятельный отчет о геологическом строении этого участка ("Через Главный Кавказский хребет", 1896).
А. А. Иностранцев принимал деятельное участие в комиссиях по обводнению и канализации Санкт-Петербурга, Москвы и других городов России, участвовал в выработке проекта учреждения Геологического комитета. С 1877 г. он состоял председателем геологии и минералогии Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей, с 1888 г. - председателем Русского антропологического общества. А. А. Иностранцев участвовал во многих международных геологических конгрессах, он был членом-корреспондентом Академии наук, почетным членом многих научных обществ - Петербургского общества естествоиспытателей, Киевского общества естествоиспытателей, Харьковского общества любителей естествознания, Московского общества любителей естествознания, антропологии и географии и др.
Особый интерес представляет организация А. А. Иностранцевым геологических работ на Алтае, связанная с деятельностью Геологической Части Кабинета Его (Её) Императорского Величества.
Геологическая Часть Кабинета Его (Её) Императорского Величества
Кабинет Его (Её) Императорского Величества создан в 1704 г. как общегосударственный орган, состоящий из нескольких министров. Одной из забот Кабинета было пополнение государевой (не государственной!) казны за счет доходов от личной собственности государя (государыни). Такой личной собственностью царствующих персон был Алтайский Горный Округ с его рудниками и заводами, а также землями. Долгие годы заводы Округа приносили владельцу огромные прибыли, но со временем стали убыточными. Уже в 1881 г. алтайские заводы принесли Кабинету 170 тыс. рублей убытку. Кабинет предпринял ряд мер по улучшению экономики Округа. В числе их было создание при Кабинете Геологической части.
Министр Императорского Двора граф Воронцов-Вельяминов 23 марта 1894 г. утвердил Положение о Геологической Части Кабинета Е. И. В. Эта часть Кабинета была "…обязана организовать и вести систематические исследования земель Кабинета".
На заведующего Геологической Частью возлагались следующие обязанности:
- руководство по выработке общей программы геологических исследований земель Кабинета и по составлению ежегодных программ для предстоящих летних экскурсий;
- общее руководство как работами в поле, так и по обработке собранных материалов;
- ежегодное представление Управляющему Кабинетом предварительных отчетов геологов со своим заключением;
- редактирование Трудов Геологической Части Кабинета и других изданий, относящихся к геологическим исследованиям земель Кабинета;
- проверка в случае надобности производимых геологами работ в поле;
- в случае надобности, Заведующий Геологической Частью также принимает участие в работах в поле.
Приказом от 29 апреля 1894 г. заведующим Геологической Частью Кабинета был назначен Александр Александрович Иностранцев - заслуженный ординарный профессор Императорского Санкт-Петербургского университета, доктор минералогии и геологии, действительный статский советник.
Геологами назначены хранители Геологического Кабинета Санкт-Петербургского университета, магистранты Борис Константинович Поленов (1859-1923 гг.) и Герман Германович фон Петц (1868-1908 гг.). Позже к работам в Округе были привлечены Александр Николаевич Державин (1857-1919 гг.) - выпускник Казанского университета, Гавриил Иванович Танфильев (1857-1928 гг.) - преподаватель Петербургского университета и сотрудник Ботанического сада, и Сергей Александрович Яковлев (1878-1957 гг.) - выпускник Петербургского университета, ставший в советское время ведущим геологом-четвертичником.