Изучая участие перекисей, возникающих при ассимиляции, Бах пришёл к выяснению сущности окислительных процессов (1893–1897 гг.) и окончательно сформулировал перекисную теорию медленного окисления, согласно которой при спонтанном окислении энергия, необходимая для активации молекулярного кислорода, доставляется самим окисляемым телом. Такими свойствами обладают только химически ненасыщенные тела, которые, вступая во взаимодействие с кислородом воздуха, активируют его; активированный кислород при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись. Особое значение перекисная теория приобрела в развитии представлений о химизме дыхания. Бах показал, что в основе дыхания лежит ряд ферментных окислительных и окислительно-восстановительных реакций, последовательно сменяющих друг друга в длинной цепи химических превращений.
Всего за годы жизни в Женеве А.Н. Бах провел в своей лаборатории около 70 экспериментальных работ и написал ряд статей и монографий. Сообщения о его исследованиях печатались в «Докладах Парижской Академии наук», в «Монитер Сиентифик», «Архиве Женевского общества физических и естественных наук», «Берлинском биохимическом журнале», в журнале Немецкого химического общества, членом которого он являлся. Во втором выпуске «Журнала Русского физико-химического общества при Императорском Санкт-Петербургском университете» за 1912 г. редактор журнала профессор
А.Е. Фаворский поместил монографию Баха «Химизм дыхательных процессов». Его научная деятельность получила международное признание. В 1915 г. Баха избрали президентом Швейцарского общества естествоиспытателей, а в 1916 г. Лозаннский университет присудил ему почетную степень доктора honoris causa(«ради почета», лат.).
В мае 1917 г. Временным правительством России была объявлена амнистия политическим эмигрантам. 18 июня 1917 г. Бах вернулся в Россию. Санкт-Петербург встретил его голодом и невозможностью заниматься наукой. По приглашению инженера-химика Б.И. Збарского, который делал дипломную работу в Женеве под руководством Баха, а теперь был заведующим лабораторией Бондюжских химических заводов на Каме, Алексей Николаевич с женой уехал в Бондюгу. Директором заводов был Л.Я. Карпов, дружба с которым определила дальнейшую научную судьбу ученого. Осенью 1917 г. он окончательно возвращается в Москву. Научная деятельность в России не давала удовлетворения, и Бах решил искать пути непосредственного влияния на организацию научных исследований путем участия в строительстве нового государства.
Карпов стал членом Президиума Высшего совета Народного хозяйства и заведующим Отделом пищевой и химической промышленности. В подчинении Отдела оказалось около полусотни разбросанных по стране, часто бездействующих национализированных предприятий. Чтобы их восстановить и наладить производство, была создана Центральная химическая лаборатория. Карпов предложил Баху ее возглавить. Научная работа Баха в Женеве не ставила целью применить полученные результаты в производстве. Однако благодаря многолетней работе по реферированию обзоров химических патентов в парижском журнале, Бах был знаком с новейшими технологическими достижениями в области промышленной химии.
