В 1913 на выставке в Салоне Независимых представил первые пейзажи, отмеченные влиянием кубизма.

В том же 1913, возвратившись в Петербург, художник начал сотрудничать с журналами «Сатирикон», «Театр и искусство», «Лукоморье» и другими, публикуя в них карикатуры и графические рисунки.

Тогда же Анненков серьезно занялся театральной деятельностью. Оформив почти все спектакли в театре «Кривое зеркало» Н. Н. Евреинова, он пропагандировал экспрессионизм на русской сцене. В этом же стиле в 1915–1916 он иллюстрировал брошюру Евреинова «Театр для себя». Работал и в других театрах Петербурга и Москвы.

Анненкову принадлежали декорации представлений артистического кабаре «Привал комедиантов» (1916–1917), а позже — революционных массовых спектаклей «Гимн освобожденному труду» и «Взятие Зимнего дворца» около здания Биржи в Петрограде.

В 1916 начал работать над серией портретов современников, деятелей русской культуры А. А. Ахматовой, Е. И. Замятина, А. Н. Бенуа и многих других. Эта серия приобрела большую известность, как тип своего рода «эстетского» портрета.

В 1918 выполнил иллюстрации к поэме А. А. Блока «Двенадцать», создав из своих рисунков, по выражению самого Блока, «параллельный графический текст».

В 1919 опубликовал статью «Ритмические декорации».

В 1920 был назначен профессором Академии Художеств.

С началом революционной эпохи Анненков вошел в правление петроградского Дома искусств. В 1921 в числе других художников организовал ОСТ, совместно с Д. П. Штеренбергом выработав его устав. В том же году в журнале «Дом искусств» издал статью «Театр до конца», явившуюся своего рода декларацией абстрактного театра. Оформил постановки Большого драматического театра «Газ» Г. Кайзера (1922) и «Бунт машин» А. Н. Толстого (1924).

Стал заведующим художественной частью театра политической сатиры «Вольная комедия». При этом свои теоретические статьи и эссе продолжал публиковать в журнале «Жизнь искусства», а графику — в издательствах «Радуга», «Всемирная литература», «Красная новь», в сатирических журналах «Мухомор» (1922) и «Дрезина» (1923–1924). Иллюстрировал произведения Дж. Лондона, К. И. Чуковского («Мойдодыр» был переиздан более 30 раз), Н. Н. Евреинова. Выполнил обложки и иллюстрации к книгам «Зверушки» Н. Венгерова и «Искусственная жизнь» А. Э. Беленсона.

Дебютировал и в сфере художественной литературы: выпустил сборник стихов «Четверть девятого» (Петроград, 1919), который сам же и оформил. Позже, под псевдонимом Б. Темирязев вышли книги «Повесть о пустяках» и «Рваная эпопея» (Берлин, 1934).

В конце 1910-х — начале 1920-х рисовал с натуры А. Ф. Керенского, В. И. Ленина, Г. Е. Зиновьева, Л. Б. Каменева, К. Радека и т. д. Эти рисунки вошли в альбомы «Портреты» (1922) и «17 портретов» (1926). Почти все издание последнего альбома позже было уничтожено по цензурным соображениям. В живописном портрете Л. Д. Троцкого (1923), как считается, едва ли не впервые была намечена основная черта, присущая позднейшим канонам изображения советских вождей, — их героическая идеализация.

Выехав в 1924 в заграничную командировку (на открытие советского павильона на Международной выставке в Венеции), Анненков остался за границей. С 1925 поселился в Париже. Продолжил заниматься живописью: к этому времени относятся, в частности, портреты И. Э. Бабеля, И. Г. Эренбурга, Ж. Кокто, М. Равеля, О. А. Спесивцевой.

Начиная с 1931 как сценограф сотрудничал с Дж. Баланчиным, Н. Ф. Балиевым, Ф. Ф. Комиссаржевским, С. М. Лифарем, Л. Ф. Мясиным, Б. Ф. Нижинской, М. А. Чеховым.

В 1941–1957 как режиссер и художник осуществил несколько постановок произведений классической русской литературы в парижских театрах «Плейель» и «Вье-Коломбье». В оккупированном немцами Париже поставил оперы «Пиковая дама» (1941) и «Евгений Онегин» (1943) П. И. Чайковского и «Женитьба» М. П. Мусоргского. В 1961 как сценограф работал в театре Монте-Карло.

Всего для французских театров оформил более 60 спектаклей: пьес, опер и балетов.

Анненков выполнил декорации и костюмы более чем к 60 фильмам (среди них — кинематографические работы Ф. А. Оцепа, Кристиан-Жака, М. Офюльса, Р. Сьодмака). В 1953 за фильм «Мадам де…» Офюльса Анненков получил «Оскара». В 1957 оформил фильм об А. Модильяни — «Монпарнас, 19» Ж. Беккера.

В 1945 Анненкова избрали президентом профсоюза технических работников кинематографа Франции (до 1955). Как художник-постановщик Анненков работал на телевидении Франции и Западной Германии.

В последние годы жизни живописью занимался мало, на выставках почти не экспонировался.

Написал и опубликовал большое количество театроведческих и киноведческих статей, монографии «Одевая звезд» и «Макс Офюльс», изданные в Париже в 1955 и 1962 соответственно. В 1966 опубликовал в Нью-Йорке мемуарные очерки «Дневник моих встреч. Цикл трагедий», посвященные русской (в том числе советской) культуре.