В 1902—1903 годах В. К. Кольцов вновь работал за границей: в лабораториях Германии (у Бючли и Флемминга) и на морских биостанциях в Неаполе и Виллафранке. Там молодой биолог обнаружил, что разнообразная форма спермиев десятиногих морских раков определяется состоянием особых внутриклеточных структур. Форма этих клеток менялась в зависимости от состава окружавших их растворов. Так Николай Константинович показал существование внутреннего цито-скелета. Зарубежные коллеги назовут это явление «кольцовским принципом организации клеток» (форма клетки зависит от формы коллоидальных частиц, образующих цито-скелет).
В 1903 года он был профессором на Высших женских курсах (ВКЖ), учредителем которых была Московская городская дума. Именно на ВЖК впервые заработал большой биологический практикум – символ кольцовской школы. В 1908 году он стал профессором Народного университета имени Шанявского, где в 1912 году организовал первую в мире учебно-исследовательскую лабораторию экспериментальной биологии, здесь он преподавал до 1918 года.
Начатая во второй заграничной командировке работа «Исследование о спермиях десятиногих раков в связи с общими соображениями относительно организации клетки» предназначалась для докторской диссертации, но Николай Константинович отказался от защиты, поддержав начавшуюся тогда забастовку студентов Московского университета. В день открытия первой Думы он опубликовал брошюру «Памяти павших. Жертвы из среды московского студенчества в октябрьские и декабрьские дни»; почти весь тираж был в тот же день конфискован. Полиция установила за ним наблюдение. Вследствие чего он был вынужден перенести свою научно-педагогическую деятельность из стен Московского университета.
В 1909—1910 годах он опубликовал книгу «К университетскому вопросу» и брошюру «Белые рабы», напечатанную анонимно, в которых критиковал устаревшую систему образования и призывал к реформам. Выступая за университетские свободы в 1911 году в знак несогласия с политикой министра народного образования Л. А. Кассо, покушавшегося на автономию Университета, Н. К. Кольцов покинул его вместе с большой группой профессоров и доцентов.
Результатом «дела Кассо» стал невиданный расцвет двух частных высших учебных заведений в Москве, принявших ведущих университетских профессоров, М. А. Мензбир был принят на кафедру Кольцова на Высших женских курсах. Тогда же было создано Общество для организации Московского научного института в память 19 февраля (в 1911 отмечалось 50-летие освобождения крепостных крестьян), которое, по сути, являлось московской неправительственной академией. К. А. Тимирязев сравнивал его с германским Обществом содействия наукам.