В 1865 г. окончил университет, защитив кандидатскую диссертацию на тему «Сказания иностранцев о Московском государстве». Оставшись при университете, Ключевский выбрал для специального научного исследования обширный рукописный материал житий древнерусских святых. Результатом была магистерская диссертация «Древнерусские жития святых как исторический источник» (1871). В том же году Ключевский был избран на кафедру русской истории в Московской духовной академии, которую занимал до 1906 г. В 1872 г. (по другим сведениям с 1867 г.) начал преподавать в Александровском военном училище и на Высших женских курсах. С 1879 г. преподавал в Московском университете, где заменил на кафедре русской истории скончавшегося Соловьева.
Докторская диссертация «Боярская дума Древней Руси» (впервые опубликована на страницах журнала «Русская мысль» в 1880–1881 гг.) составила известный этап в творчестве Ключевского. Тематика последующих научных трудов Ключевского ясно указывала это новое направление – «Русский рубль XVI–XVIII вв. в его отношении к нынешнему» (1884), «Происхождение крепостного права в России» (1885), «Подушная подать и отмена холопства в России» (1886), «Евгений Онегин и его предки» (1887), «Состав представительства на земских соборах Древней Руси» (1890) и др.
Наиболее известный научный труд Ключевского, получивший всемирное признание, – «Курс русской истории» в 5-и частях. Ученый трудился над ним более трех десятилетий, но решился опубликовать его лишь в начале 1900-х годов.
Согласно политическим взглядам, Ключевского можно охарактеризовать как умеренного консерватора, сторонника просвещенного самодержавия и имперского величия России. Поэтому неслучаен выбор Ключевского в качестве учителя всеобщей истории для великого князя Георгия Александровича, брата Николая II. Политической линии ученого отвечали и произнесенное в 1894 г. и вызвавшее возмущение революционного студенчества «Похвальное слово» Александру III, и настороженное отношение к первой русской революции, и неудачная баллотировка весной 1906 г. в ряды выборщиков в Государственную думу по кадетскому списку.
В.О. Ключевский умер в Москве 12 мая 1911 г. Похоронен на кладбище Донского монастыря.