Наряду с преподавательской и общественно-организационной деятельностью Зернов принимал участие в комплексных экспедициях на ледоколах «Малыгин» (1921) и «Персей» (1923) по исследованию, сборам донной фауны, планктона, рыб на обширных пространства Белого, Баренцева и западной части Карского морей. Являлся членом президиума Международного объединения лимнологов (с 1921 г.), представлял СССР на международных гидробиологических съездах (1921, 1925, 1927).
В 1931 г. С.А. Зернов был назначен директором Зоологического музея АН, кардинально реорганизованного им (в соответствии с состоянием современной науки) в Зоологический институт с четырьмя отделениями. Большое внимание было обращено не только на фаунистику и систематику, но и на экологию, в особенности водных животных. Был организован новый гидробиологический отдел. Музей стал одним из отделений института, была расширена выставочная часть музея, увеличены его площади, фонды, штаты и т.д. Зернов организовал и провёл ряд всесоюзных конференций по фаунистическим, зоологическим и гидробиологическим проблемам. В эти годы он вёл напряжённую работу по подготовке к печати капитального труда «Общая гидробиология» (1934), которая представляла в итоге обширное оригинальное научное исследование огромного материала по всестороннему изучению важнейших бассейнов гидросферы, по экспериментальному, физиологическому изучению водных организмов.
С.А. Зернов положил начало существованию Мурманской биологической станции АН СССР (1936), первого рыбохозяйственного института (Мосрыбвтуз).
В первые месяцы Великой Отечественной войны он провёл большую работу по сохранению научных коллекций и экспонатов Зоологического музея и института в Ленинграде. Находясь в эвакуации (Казахстан, Боровое), систематически проводил круглогодичные гидробиологические исследования водоёмов. Определил новый низший температурный предел жизни водных организмов в естественных условиях. Возвратившись в 1944 г. в Ленинград, готовил второе издание книги «Общая гидробиология». Второе издание книги вышло под редакцией академика Е.Н. Павловского и профессора В.И. Жадина (1949). Перед кончиной подготовил для широкого обсуждения среди специалистов программный документ «Ближайшие задачи гидробиологии в СССР».
