Через год он получил место преподавателя в Варшавском политехническом институте и одновременно был утверждён Министерством путей сообщения в должности инспектора Российских государственных и частных железных дорог. Не прошло и пяти лет после окончания института, а Юрий Владимирович уже считался одним из лучших паровозных специалистов. В 1902 году он занимает должность ординарного профессора Киевского политехнического института и становится самым молодым завкафедрой.
Ломоносов внёс значительный вклад в развитие науки о стальных магистралях. Впервые в мире им были организованы тягово-теплотехнические испытания паровозов. Вместе со своими учениками в 1908 году образовал первое научно-исследовательское учреждение — «Контору опытов над типами паровозов», предтечу Всесоюзного, а ныне Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. Помимо прикладных исследований, он активно вёл преподавательскую деятельность, издал множество учёных трудов и создал новую науку — теорию тяги тепловозов.
Исключительные научно-технические способности Ломоносова сочетались с недюжинным административным талантом. Накануне Русско-японской войны группа из ста студентов под его руководством была направлена на Китайско-Восточную железную дорогу для проведения работ по её реконструкции. Итоги экспедиции заинтересовали министра финансов Российской империи графа Сергея Витте, во время встречи с которым Ломоносов, помимо общего анализа ситуации на дальневосточной магистрали, откровенно рассказал о воровстве и злоупотреблениях. Эта встреча укрепила авторитет Ломоносова как честного и бескомпромиссного государственного чиновника.
В дальнейшем Юрий Владимирович успешно сочетал научную деятельность с работой на высоких административно-хозяйственных постах.
В 1907 году Софья Александровна, забрав с собой детей, уехала в Швейцарию — изучать медицину. Это положило браку конец. Заботы по дому взяла на себя верная политическая единомышленница и личная секретарша учёного Раиса Николаевна Розен, которая вскоре стала его новой женой. Менее чем через месяц у них родился сын Юрий.
