На Алтае В. В. Радлов начал целеустремленное изучение местных тюркских языков, фольклора и истории. Летом 1860 он использовал свой отпуск для поездки в Бийск, где собирал языковой материал в полевых условиях. Ему удалось убедить зайсана прислать с Алтая в Барнаул местного жителя для занятий с ним языком. Днём Радлов преподавал в окружном горном училище, а по вечерам занимался с информантом. В течение зимы 1860—1861 гг. он достаточно продвинулся в освоении разговорной речи для того, чтобы быть в состоянии общаться с местными жителями во время ежегодных летних поездок. Аналогичным образом он овладевал и другими местными наречиями.
В Барнауле Радлов женился на Паулине Фромм, бывшей его невестой с 1858 года; там же у них родилось 5 детей. В семье придерживались лютеранских традиций.
Со временем Радлову удалось побывать в Средней Азии и расширить круг изучаемых языков. По истечении пятилетнего срока командировки учёный отправился в Петербург, чтобы продлить её. В достижении этого ему помогла известная фрейлина Эдит фон Раден. Пребывание в Петербурге Радлов использовал для расширения научных знакомств.
Вернувшись в Барнаул, Радлов продолжил свои поездки по краю и полевые исследования. Всего за период своего пребывания на Алтае Радлов совершил десять ежегодных (с перерывом в 1864) поездок к уйгурам, алтайцам, телеутам, шорцам, кумандинцам, тувинцам, казахам, киргизам, абаканским татарам (хакасам), западно-сибирским татарам, китайцам. Кроме того, с 1866 он начал публиковать результаты своих штудий. В этом году вышел первый том его знаменитого труда «Образцы народной литературы тюркских племен…» (собрание текстов на тюркских языках с немецким переводом). Второй том вышел в 1868 г., а третий — в 1870. Это было выдающееся по охвату лингвистического и фольклорного материала издание, которое сразу же сделало имя В. В. Радлова хорошо известным в научном мире. До 1896 было издано ещё четыре тома «Образцов».
Стоит особо отметить роль В. В. Радлова в изучении истории уйгурского народа выраженная в его уникальном труде «К вопросу об уйгурах» 1893 г. В этом уникальном труде он опираясь на труды средневековых ученых в особенности Рашид ад-Дина Джами ат-таварих делает тонкий анализ этногенеза уйгурского народа и его истории.
В 1870 году записал и опубликовал произведение казахского фольклора «Акбала» в книге «Образцы народной литературы тюркских племен, живущих в Южной Сибири и Джунгарской степи». В произведении рассказывается о несчастной любви девушки Акбалы и юноши Боздака[4].
Помимо исследований языка и фольклора, В. В. Радлов занимался также археологическими раскопками на Алтае, в Барабинской и Киргизской степи, Минусинской котловине, различных районах Средней Азии. С 1863 по 1869 при его участии было раскопано около 150 курганов, в том числе всемирно известный Большой Катандинский и Берельский курган, давшей название одноимённому этапу развития культуры кочевников Восточного Казахстана эпохи раннего железного века (V—IV века до н. э.). По заключению специалистов, Радлов вёл свои археологические раскопки на высоком профессиональном уровне, образцовом для того времени. Он сам разрабатывал новые приёмы изучения древних памятников, стремился к совершенствованию уже существующих.
На Алтае Радлов сформировался как тюрколог-универсал, равно глубоко интересовавшийся диалектологией, лексикографией, лексикологией, сравнительной и исторической фонетикой, грамматикой тюркских языков, этнографией и археологией, фольклором и историей народов Алтая и Западной Сибири.
Казань
В 1871 В. В. Радлов отправился в Санкт-Петербург для выяснения своей дальнейшей судьбы. По пути он остановился в Казани, где неожиданно для себя получил приглашение занять место инспектора татарских, башкирских и киргизских мусульманских школ Казанского учебного округа. Инициатива назначения Радлова на этот пост исходила от известного востоковеда Н. И. Ильминского [источник не указан 2475 дней], занимавшего тогда должность профессора турецко-татарского языка в Казанском университете.
Прибыв в Петербург, В. В. Радлов успешно решил все организационные вопросы. Содействие ему оказали министр народного образования Д. А. Толстой и председатель Государственного Совета Великий князь Константин Николаевич. Радлов не только получил назначение в Казань и добился положительного решения всех организационных вопросов, но и исхлопотал для себя научную командировку за границу для получения нового опыта и приобретения учебных пособий для работы в Казани. Воспользовавшись случаем, Радлов навестил в Берлине своих родителей.
Зимой 1872 В. В. Радлов приступил к исполнению своих обязанностей в Казанском учебном округе. Сталкиваясь со значительными трудностями, он занялся учреждением учительской семинарии, открытием женской школы, сам принимал участие в написании и редактировании школьных учебников.
Параллельно он изучал тюркские языки Поволжья, участвовал в деятельности Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии при Казанском университете, а также опубликовал ряд работ. В университете Радлов познакомился с выдающимся лингвистом И. А. Бодуэном де Куртенэ. Участие в заседаниях лингвистического кружка, группировавшегося вокруг Бодуэна де Куртенэ, позволило Радлову значительно повысить свою общетеоретическую языковедческую компетенцию.
Санкт-Петербург — Петроград
В конце 1884 года В. В. Радлов вернулся в Петербург.
Н. И. Ильминский, бывший членом-корреспондентом Императорской академии наук с 1870 г., получил приглашение баллотироваться в академики, но отказался от этой чести по личным обстоятельствам и рекомендовал кандидатуру Радлова. Не исключено, что одним из мотивов Ильминского, консерватора и сторонника Победоносцева, было недовольство растущим влиянием Радлова в Казани[5]. Рассмотрев это предложение, Академия согласилась с ним. 7 ноября 1884 г. В. В. Радлов был избран ординарным академиком Императорской Академии наук по части истории и древностей азиатских народов. Вскоре он был назначен директором Азиатского музея; на этой должности проработал до 1890.
В Академии Радлов столкнулся с антинемецкими настроениями ряда коллег. Их пропагандой занимался, по-видимому, В. Д. Смирнов, опубликовавший незадолго до этого крайне негативную рецензию[6] на радловскую «Сравнительную грамматику», в которой обвинил автора в плагиате, недобросовестном использовании материалов, собранных ранее русскими миссионерами.
Работа в Императорской академии наук