С 1902 года Ухтомский специализировался под руководством профессора Н. Е. Введенского, а с 1909 года совместно с ним работал над рефлексами антагонистов. В 1911 году в магистерской диссертации «О зависимости кортикальных двигательных эффектов от побочных центральных влияний» ученый впервые выразил идею доминанты, принцип которой развивал в последующие годы. В течение следующих пяти лет читал курс лекций в Психоневрологическом институте.
После участия во Всероссийском поместном соборе, в конце 1917 года Алексей Алексеевич уехал в Рыбинск, изучал религиозную литературу. Через год его дом в городе был национализирован, а осенью 1920 там произошел обыск, часть вещей и бумаг была изъята.
30 ноября Ухтомский был арестован и отправлен в Ярославский политический изолятор и оттуда в Москву в особое отделение ВЧК. Через пару месяцев по ходатайствам друзей-ученых был освобожден, но в Рыбинск больше не вернулся.
С 1920 года заведовал кафедрой Естественнонаучного института, а с 1922 – кафедрой физиологии человека и животных Петроградского университета. И с этого времени Алексей Алексеевич начинает выступать публично с новым учением о работе мозга, обосновывая принцип доминанты. В 1927 году выходит его монография «Парабиоз и доминанта»[1], в которой выявляет связь доминанты с установками Н. Е. Введенского.
В 1935 году Ухтомский стал директором основанного им Института физиологии Ленинградского университета, а с 1937 года – руководителем электрофизиологической лаборатории Академии наук СССР. Кроме того Алексей Алексеевич преподавал физиологию в Институте физической культуры им. П. Ф. Лесгафта, в психоневрологическом институте и на рабочем факультете Ленинградского университета. В 1932 году получил премию имени В. И. Ленина за научные труды. В 1933 году избран членом-корреспондентом, в 1935 году – действительным членом Академии наук СССР.
На протяжении всей жизни Алексей Алексеевич оставался глубоко верующим человеком. «Монах в миру», как говорил о себе он сам, тайно принял постриг в 1921 году с именем Алипий. Был старостой и клириком, служил в сане иеромонаха в Никольской единоверческой церкви до самого закрытия ее в 1923 году. Для него было важно в выступлениях и лекциях транслировать православные ценности, заветы христианской любви: служить другим, стремиться к пониманию каждого человека, руководствоваться взаимным уважением. Алексей Алексеевич пережил революцию, гражданскую войну, арест за религиозную пропаганду, угрозу расстрела, заключение. Талантливейший мыслитель своего времени, он был чрезвычайно скромен. Имел обширный круг интересов, владел семью языками, писал иконы, играл на скрипке.