Еще студентом А. А. Иностранцев начал работать при кафедре минералогии и помогать пополнению кафедры новыми сборами. На старшем курсе на А. А. Иностранцева были возложены обязанности хранителя Минералогического кабинета.

Весной 1867 года университет был окончен, и А. А. Иностранцев взялся за кандидатскую диссертацию «Петрографический очерк острова Валамо». Эта работа по изучению горных пород с применением микроскопа ознаменовала начало новой эпохи в развитии петрографии в России. Это была первая работа с применением микроскопа в то время, когда и за границей «микроскопическая петрография» еще только зарождалась. Уже в декабре 1867 года молодой ученый с успехом доложил свою работу на первом съезде русских естествоиспытателей и врачей. Одновременно с научной работой А. А. Иностранцев занимается в университете преподаванием и пополнением вновь организуемого геологического и палеонтологического музея, хранителем которого он был назначен в 1868 году. В том же году, т. е. всего через два года после окончания университета, он уже защитил магистерскую диссертацию «Геогностическое строение западного берега Ладожского озера» (геогнозия — историческая геология) и приступил к чтению лекций. В 1870 году он стал доцентом палеонтологии и геологии. В следующем году он отправился в полуторагодичную заграничную командировку, которую использовал для многочисленных геологических экскурсий по Италии (Альпы), в районах Праги и Вены и для интенсивной работы в музеях Женевы, Цюриха, Мюнхена, Вены и Праги. А. А. Иностранцев ознакомился с постановкой преподавания, музейного дела и научной работы в иностранных университетах и музеях. Эта поездка дала ему возможность установить научные связи со многими выдающимися иностранными геологами того времени.

В 1873 году, вскоре после возвращения из‑за границы, А. А. Иностранцев защитил свою докторскую диссертацию «Геологическое исследование на севере России в 1869 и 1870 гг.» и был избран профессором по кафедре геологии Петербургского университета. А. А. Иностранцев был первым профессором геологии в вырастившем его университете и занимал кафедру геологии 49 лет — до самой своей кончины.

Он неустанно работал над пополнением кафедры учебными и научными материалами, над постановкой научной работы и вовлечением в эту работу молодежи. Всю свою жизнь он посвятил обогащению созданного им геологического и палеонтологического музея новыми ценными коллекциями и воспитанию кадров ученых — геологов. Впоследствии кафедра настолько выросла, что разделилась на несколько самостоятельных кафедр.

В те времена, когда А. А. Иностранцев сам учился в университете, весь геологический музей помещался… в двух шкафах! Легко себе представить, сколько сил и энергии надо было затратить ученому — энтузиасту на создание богатейшей коллекции, собрания образцов которой пользуются мировой известностью. В основу вновь созданного музея легла обширная палеонтологическая коллекция выдающегося русского естествоиспытателя профессора Э. И. Эйхвальда (1795–1876), в течение пятидесяти лет собравшего и описавшего массу замечательных остатков ископаемых организмов. Впоследствии к этому драгоценному собранию, являющемуся украшением университета, А. А. Иностранцев присоединил сборы профессора Киевского университета А. С. Роговича (1812–1872), многочисленных своих учеников, свои личные многолетние сборы, а также пожертвования путешественников. Создание кафедры геологии и большого музея при ней дало возможность поставить на большую высоту научную работу по геологии и ее преподавание. Многие из учеников д. Д. Иностранцева выросли в крупнейших ученых и сами имеют талантливых учеников — «научных внуков» А. А. Иностранцева. Имя А. А. Иностранцева тесно связано с историей геологического образования в России еще и потому, что им был создан первый русский общий курс геологии (в двух томах), выдержавший несколько изданий.