В 1911–1912 принял участие в работе Всероссийского съезда художников. В 1913 сотрудничал с Театром К. Н. Незлобина в Москве. Совершил путешествие на Кавказ, в 1916 посетил Ферапонтово и Кирилло-Белозерский монастырь.

После революции участвовал в работе комиссии по реформе Академии художеств. Преподавал последовательно в петроградских (ленинградских) Государственных свободных художественных мастерских, ВХУТЕМАСе, ВХУТЕИНе, Академии художеств. Со своими учениками занимался праздничным оформлением Петрограда к первой годовщине Октября. Экспонировал свои произведения на Первой государственной свободной выставке произведений искусства в 1919 в Петрограде. В 1920 в петроградском Доме искусств состоялась ретроспективная выставка художника.

В 1921 ездил в Самарканд с экспедицией Академии истории материальной культуры, результатом стала книга очерков «Самаркандия», проиллюстрированная путевыми зарисовками художника. В 1924–1925 совершил поездку во Францию, из которой привез значительное число рисунков тушью и сепией. С 1925 — член-учредитель и экспонент объединения «4 искусства», с 1927 — почетный член французского Астрономического общества.

С 1927 жил в Детском Селе под Ленинградом. В 1931 вошел в состав АХРР. В 1930-е сотрудничал с Государственным академическим театром драмы, создал оформление постановок «Братья Карамазовы» Ф. М. Достоевского (не осуществлена) и «Женитьба Фигаро» П. О. Бомарше.

В 1930 вышла в свет автобиографическая книга Петрова-Водкина «Хвалынск», а в 1933 — «Пространство Эвклида». В 1936 в Государственном Русском музее в Ленинграде, а годом позже в Москве прошли персональные выставки произведений Петрова-Водкина.

Посмертные ретроспективные выставки творчества Петрова-Водкина были организованы в 1966, 1978, 1980 в Государственном Русском музее, в 1966 — в Государственной Третьяковской галерее. В 1967 была подготовлена передвижная выставка произведений мастера, представленная в Саратове, Киеве, Курске, Риге, Ереване, Праге, Бухаресте, Софии, в 1971 — в Варшаве и Будапеште.

Петров-Водкин — один из наиболее значительных мастеров первой трети ХХ столетия. В ранней период испытал сильное влияние символизма и модерна, в особенности творчества таких мастеров как В. Э. Борисов-Мусатов, Ф. фон Штук, П. Пюви де Шаванн, М. Дени. В 1910-х выработал собственный стиль, близкий неоакадемизму, в котором сказалось внимательное изучение итальянской живописи раннего Возрождения, интерес к русской иконописи и французскому постимпрессионизму (в частности, к творчеству Гогена и Матисса). Разработал и активно применял в своей художественной практике теорию «сферической перспективы», в которой, благодаря использованию нескольких точек зрения (определенной системе ракурсов, разворота плоскостей к зрителю), удавалось охватить обширное пространство, подчеркнуть момент движения и совместить в одной композиции разновременные эпизоды. В 1920-е продолжал заниматься проблемами перспективы, композиции и колорита: стремился объединять все формы и планы на картине с помощью трех основных цветов: красного, синего и желтого («трехцветки»). Давал соответствующие колористические задания свои ученикам, создав собственную школу.

Творчество Петрова-Водкина представлено в коллекциях многих российских музеев. Наиболее значительными собраниями живописных и графических произведений художника обладают Государственная Третьяковская галерея и Государственный Русский музей.