Как ни парадоксально, систематической научной деятельностью Н. А. Морозов сумел заняться лишь только тогда, когда его осудили на вечную каторгу.
Заключение было рассчитано на медленное умерщвление узников. Из одиннадцати заключенных в Алексеевском равелине за два года осталось в живых только четыре. В равелине Морозов неоднократно болел цингой. Нога от болезни стала, по его словам, толстой, как бревно. Несмотря на острую боль, он заставлял себя трижды в сутки делать гимнастику и как можно больше ходить. Он ходил по камере и повторял в уме: «Выжить во что бы то ни стало, назло своим врагам!» У него начался туберкулез. Морозов начал лечиться собственным способом: не давал себе кашлять, чтобы не разрывать язвочек в легких, а если становилось невтерпеж, то кашлял в подушку, чтобы не дать воздуху резко вырываться. В 1883 году был момент, когда тюремный врач докладывал Александру III: «Морозову осталось жить несколько дней». А через месяц он сообщал царю: «Морозов обманул смерть и медицинскую науку и начал выздоравливать».
В 1884 году его перевели в Шлиссельбургскую крепость. Здесь, упорной борьбой с администрацией, заключенные добились некоторых облегчений тюремного режима, в результате которых у Н. А. Морозова появилась возможность систематически заниматься научной работой. В Шлиссельбурге он написал 26 томов рукописей, по различным отраслям знания.
После выхода из тюрьмы он подготовил для Министерства просвещения перечень работ, написанных им до 1905 года. Список был на 23 страницах.
Оказавшись на свободе после 25-летнего одиночного заключения, Н. А. Морозов целиком посвятил себя научно-педагогической деятельности. За первые четыре с половиной года после освобождения, пока его снова не посадили на год в Двинскую крепость за публикацию сборника стихов «Звездные песни», им было опубликовано более 80 статей, книг и литературных работ. Его научные труды отличали яркая новизна, смелость мысли и научного предвидения, великолепные формы и стиль, поэтический язык. Его друг по шлиссельбургскому заключению М. Ю. Ашенбреннер писал ему: «У Вас же глубокое и важное содержание облекается в художественную, поэтическую форму, и развитие оригинальной теории поражает красотой и блестящим остроумием, а это совершенно покоряет читателя».
Следует иметь, в виду, что работы Н. А. Морозова появились тогда, когда физики и химики уже стали отходить от старых традиционных представлений XIX века, но не дошли еще до правильных теорий строения атома. Это был период поиска новых подходов к единому описанию строения материи. И Н. А. Морозов предвосхитил многие последующие открытия современной химии и физики. Он предсказал существование и свойства инертных газов; построил структурные схемы атомов, объясняющие периодичность валентности и других свойств химических элементов; показал, что сумма положительной и отрицательной валентностей равна восьми. Одним из первых Морозов ввел электронные формулы строения неорганических и органических соединений; впервые ввел в науку понятие о ковалентной связи.
В 1907 году началось сотрудничество Н. А. Морозова с выдающимся ученым П. Ф. Лесгафтом. Последний пригласил его работать в своей Биологической лаборатории и преподавать в организованной им Высшей вольной школе (первом общественном университете в дореволюционной России). Здесь Морозов преподавал химию и астрономию, сначала в качестве приват-доцента, а затем стал профессором. Он читал оригинальный курс «Мировая космическая химия», в котором излагал химическую эволюцию звезд и планет. В это же время он стал активным членом многих научных обществ.
В 1907 году вышло в свет его «Откровение в грозе и буре. История возникновения Апокалипсиса». В этой книге Н. А. Морозов писал: «Из всех трудных задач, представляющихся для нашего ума при изучении чужой нам исторической эпохи, одна из самых труднейших — это необходимость ясно и отчетливо усвоить себе во всей их логической последовательности как чуждый для нас склад мышления, так и чуждые для нас основы миросозерцания ее современников». Эти слова и ныне звучат как наказ историкам, изучающим ранний период развития человеческой мысли.
В это же самое время у Н. А. Морозова появилась возможность принять практическое участие в воздухоплавании. Ежегодно и неоднократно он поднимался на аэропланах и аэростатах. Им были высказаны интересные мысли о задачах и перспективах воздухоплавания, предложены системы парашюта, автоматически образующегося при падении аэростата из так называемого экваториального пояса, а также специальные костюмы для высотных полетов, послужившие прообразом современной одежды пилотов. Как теперь выясняется, Н. А. Морозов оказался пионером в разработке спасательных средств не только для людей, но и для самого летательного аппарата. Сейчас это направление только начинает развиваться. Н. А. Морозов состоял членом Всероссийского аэроклуба и работал в Научно-техническом комитете над проектами летательных аппаратов, он был также председателем Комиссии научных полетов и лектором авиационной школы.
