Он занимается и педагогической, и административной, и научной деятельностью. Лобачевскому приходится заведовать обсерваторией и читать астрономические курсы. Его избирают деканом факультета, ему поручают упорядочение библиотеки и он отправляется в Петербург для отбора и закупки новейших книг для библиотеки и научной аппаратуры для физического кабинета. Он активный член, а затем и председатель строительного комитета (в эти годы строился главный корпус университета). Его ценят как разностороннего деятельного эрудированного ученого.
Несмотря на обилие дел и обязанностей, на необходимость подготовки к новым лекционным курсам и создавшуюся сложную обстановку, Лобачевский продолжал неустанно работать над строгим построением начал геометрии.
В 1827 г. Лобачевский назначается ректором Казанского университета и занимал эту должность в течение 19 лет. За годы своего ректорства ученый добился подлинного расцвета Казанского университета. Он прекрасно понимал, что одного учебного корпуса без оборудованных учебно-вспомогательных заведений недостаточно для развития науки и для подготовки знающих специалистов. Поэтому он начал строительство астрономической и магнитной обсерватории, анатомического театра, клиники, здания физического кабинета и химической лаборатории, библиотеки (уже будучи ректором он продолжал в течение 8 лет сам руководить библиотекой). Несмотря на большую занятость административной работой, он продолжал преподавание в университете, читая курсы механики, гидростатики и гидравлики, математического анализа, дифференциальных уравнений, уравнений математической физики, вариационного исчисления, теории вероятностей.
В 1838-1840 гг. Лобачевский читал научно — популярные лекции для населения. Он открыл свободный доступ в библиотеку и в музеи университета. Он пишет наставление учителям математики и заботится о постановке преподавания также в училищах и гимназиях. Он принимает участие в поездке в Пензу в 1842 для наблюдения солнечного затмения. Занимается также усовершенствованием методов обработки астрономических наблюдений. Будучи ректором Казанского университета, способствует развитию астрономии в Казани. По его инициативе при университете в 1833-37 была построена новая обсерватория, одна из лучших по тому времени. Она начала работать в 1838, на год раньше Пулковской.
Он первым пытается использовать данные астрономических наблюдений (параллаксы звезд) для определения свойств пространства и времени и решения вопроса о том, какая из двух геометрий - классическая евклидова или созданная им - соответствует реальным условиям в физическом пространстве. Однако имевшиеся в его распоряжении величины параллаксов, опубликованные французским астрономом-любителем Дасса-Мондидье, были весьма завышенными и далекими от реальности.
Лобачевский получил ряд ценных результатов и в других разделах математики: так, в алгебре он разработал новый метод приближённого решения уравнений, в математическом анализе получил ряд тонких теорем о тригонометрических рядах, уточнил понятие непрерывной функции и др. Лобачевский детально разработал свою геометрию, нашел тригонометрические соотношения между сторонами и углами треугольника, изучил простейшие кривые — аналоги окружностей — предельную линию (окружность бесконечно большого радиуса) и эквидистанту (образована точками, удаленными от прямой на постоянное расстояние), ввел различные системы координат, нашел формулы для вычисления площадей и объемов.
Лобачевский умер непризнанным. Однако появление модели Клейна доказало, что геометрия Лобачевского так же непротиворечива, как и евклидова. Осознание того, что у евклидовой геометрии имеется полноценная альтернатива, произвело огромное впечатление на научный мир и придало импульс другим новаторским идеям в математике и физике.
24 (12) февраля 1856 кончилась жизнь великого учёного, целиком отданная русской науке и Казанскому университету.