Ещё студентом Зернов примкнул к революционному движению и участвовал в первых революционных кружках. В 1897 г. по обвинению в «преступной агитации» среди московских рабочих выслан на два года в Вятскую губернию (г. Малмыж). Изучал планктон рек Момлы и Вятки. Этими исследованиями положил начало изучению планктона русских рек. После ссылки работал над организацией зоологического музея в Казани, а затем над созданием в Симферополе естественно-исторического музея. По предложению академика В.В. Заленского руководил Севастопольской биологической станцией (1902–1914). Здесь особенно наглядно проявился организаторский талант Зернова. Увеличена за счёт строительства площадь лабораторных помещений и рабочих мест, для морских экспедиций был приобретён экспедиционный бот «Александр Ковалевский». Главный научный результат пребывания Зернова на Севастопольской биологической станции – его собственные исследования и открытия. Во время работ в северо-западной части Чёрного моря он обнаружил (1908) заросли красной водоросли филлофоры (площадью более 10000 кв. км), которые представляют большую ценность как исходное сырьё для промышленной добычи йода. Результатом многолетних исследований закономерностей жизни гидросферы Чёрного моря явилась классическая монография «К вопросу об изучении жизни Чёрного моря» (1913). В этом труде впервые в отечественной науке был введён термин «биоценоз», описано 10 основных биоценозов Чёрного моря, указан их животный и растительный состав. Также были выведены закономерности распределения этих биоценозов на карте. Монография, явившаяся первой экологической диссертацией в России, была успешно защищена Зерновым в 1914 г., он получил степень магистра зоологии в Московском университете.
В этом же году он был приглашён на должность профессора гидробиологии (отделение рыбоведения) в Московский сельскохозяйственный институт. Начался московский период активной научно-педагогической и организационной деятельности учёного. В течение нескольких десятилетий Зернов читал уникальный курс лекций по общей гидробиологии в Московском сельскохозяйственном институте – Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева и в МГУ (с 2005 – Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева). В течение 20 лет Зернов совершенствовал и расширял свой курс. Организованные в этих высших учебных заведениях первые кафедры гидробиологии (1914 г. – Московская сельскохозяйственная академия, 1924 г. – МГУ) подготовили многочисленные кадры высококвалифицированных специалистов, являлись одновременно «питомниками» формирования научной школы. Зернов был первым деканом рабочего факультета Петровской сельскохозяйственной академии (1917), её директором (1919).
Большую роль в развитии отечественной гидробиологии и ряда смежных дисциплин сыграло «Общество исследователей воды и её жизни», созданное С.А. Зерновым. Первое в стране объединение гидробиологов просуществовало 10 лет (1922–1932). Его председателем был Зернов (второе объединение гидробиологов страны было учреждено в 1947 г.).
