С 1937 г. И. А. Ефремов возглавил в Палеонтологическом институте АН СССР лабораторию низших позвоночных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся), оставаясь ведущим специалистом по древнейшим наземным позвоночным. В этом же году он обследует пермские местонахождения Поволжья, в Татарии и в Приуралье. В 1939 г., помимо раскопок в Ишеево, он руководит Каргалинской геолого-разведочной партией, совмещая изучение медистых песчаников с поисками позвоночных. В этот же сезон он осматривает старые медные рудники Башкирии по рекам Белой и Деме. За сто лет до Ефремова здесь вели исследования В. Квален, английский геолог Родерик Мурчисон и его русские спутники по экспедиции. В этих районах была установлена пермская система. Мурчисон решил обозначить комплекс этих отложений «географическим именем, производным от древнего царства Пермия (Permia) и Пермской губернии, в пределах и составе которых были получены необходимые факты».
Как известно, И. А. Ефремов прошел курс практической горной науки в заброшенных подземных выработках Приуралья у старых потомственных штейгеров, работавших в шахтах еще в 60-х годах XIX в. Он любил старинное звучание русского языка и отработанную поколениями старых горняков и «геогностов» терминологию. Старая терминология звучала для него музыкой, он использовал ее в монографии о фауне медистых песчаников и в своем рассказе «Путями старых горняков». Иван Антонович, случалось, повторял начало геологического описания одного из обрывов по р. Белой, где во времена Мурчисона были найдены остатки позвоночных и где сам Ефремов лазал по обрывам в поисках костей: «К востоку от пригорода Бирска в естественном разрезе около 100 фут вышиной обнажены в восходящем порядке следующие пласты» [73, с.30]. При этом И. А. Ефремов с гордостью повторял: «Вот как писали раньше!» Не случайно на титульном листе монографии стоит посвящение «Безымянным горнорабочим старых медных рудников Западного Приуралья — первым открывателям фауны медистых песчаников».
Особенно плодотворным был для Ивана Антоновича 1940 г. Он описывает пресмыкающихся-котилозавров из Белебея в Башкирии, пресмыкающихся с низовьев р. Мезени, местонахождения которых в основном раскапывал и изучал Н. И. Новожилов, дает предварительное описание хищных дейноцефалов из Ишеева. Детально изучает черепа растительноядных улемозавров-мосхопсов, из Ишеева, впервые описанных А. И. Рябининым в 1937 г. Выдающимся достижением ученого явилось опубликование (в русском и зарубежном изданиях) обобщающей статьи об основах тафономии. Предварительное сообщение о тафономии И. А. Ефремов сделал в начале 1940 г. на совещании, посвященном 80-летию со дня выхода в свет книги Чарльза Дарвина «Происхождения видов». И. А. Ефремов отметил, что Чарльз Дарвин одним из первых обратил внимание на отсутствие переходных форм и подчеркнул неполноту геологической летописи. В этот же год И. А. Ефремов публикует диагнозы новых позвоночных из Приуралья, заканчивает совместно с А. П. Быстровым фундаментальную работу о лабиринтодонтах из нижнего триаса р. Шарженги. (После окончания войны авторы этой работы были удостоены дипломов Линнеевского общества в Лондоне.) Одновременно И. А. Ефремов активно участвует в издании «Палеонтологического обозрения» («Приложения к Трудам Палеонтологического института АН СССР»), где публикует полные обзоры важнейшей мировой литературы по древнейшим позвоночным.
В марте 1941 г. Иван Антонович защищает докторскую диссертацию на тему «Фауна наземных позвоночных средних зон перми СССР». Основное внимание в ней уделено новой для севера Европейской части СССР мезенской фауне пресмыкающихся и описанию растительноядного дейноцефала-улемозавра из Ишеева.
Начало Великой Отечественной войны застало Ефремова в Москве. Он просился на фронт, но его ввели в штаб по эвакуации научных ценностей Палеонтологического института. В те дни ученый с группой сотрудников жил в музее. Один из них, Р. Ф. Геккер, писал: «Через вестибюль и большую залу с наступлением темноты приходится пробираться ощупью, ориентируясь на светящуюся щель в двери. Здесь логово: между каркасами скелетов и полупустыми витринами на постаментах, тюках стружек и т. п. — постели сотрудников. В окнах несколько стекол посыпалось от фугаски большого калибра, в одну из последних ночей упавшей в детском парке, вблизи от проезда с улицы (бывшей Б. Калужской, ныне — Ленинского проспекта. — П. Ч.) к зданию Президиума АН СССР». Одна из трех сотрудников института, оставленных для охраны коллекций, молодой палеонтолог Н. В. Кабакович в свободное время шила для фронта рукавицы. Не зная размеров, она обратилась за помощью к И. А. Ефремову. Он взял лист бумаги, положил на него огромную ладонь, обвел контур и сказал: «М-м-алы не будут». Много лет спустя Н. В. Кабакович обнаружила этот листок-шаблон при разборке бумаг.
