По возвращении на родину Чернышев занимался организацией в Политехническом институте радиолаборатории и чтением курса радиотелеграфии. Одновременно он работал инженером-консультантом на заводе «Л.М. Эриксон» (впоследствии завод «Красная заря»), сотрудничество с которым продолжалось многие годы. После Первой мировой войны и Октябрьской революции учебные занятия в Политехническом институте практически прекратились, и Чернышев в своей лаборатории принялся за совершенствование катодных реле, как называли тогда радиолампы. Ценным результатом его работы стало изобретение эквипотенциальных подогревных катодов двух типов.
С осени 1918 г. А.А. Чернышев вместе с А.Ф. Иоффе включился в дела по организации Государственного физико-технического рентгенологического института (ГФТРИ). Во вновь созданном институте он занял должность заместителя директора и заведующего техническим отделом (А.Ф. Иоффе стал директором и заведующим физическим отделом). Одновременно он продолжает преподавательскую деятельность в Политехническом институте; в 1919 г. его избирают профессором и заведующим кафедрой радиотехники. В этой должности ученый оставался до 1929 г. В 1921–22 гг. Чернышев был также деканом электромеханического факультета Политехнического института.
Начиная с 1920-х гг. А.А. Чернышев внес большой вклад в осуществление плана ГОЭЛРО. По существу, почти все работы ученого по высоковольтной тематике имели непосредственное отношение к реализации плана электрификации России. Построенная им в начале 1930-х гг. опытная высоковольтная линия позволила проводить проверку возможности передачи электроэнергии с высоким напряжением на большие расстояния. В ряде опубликованных им работ глубоко обсуждались проблемы передачи больших мощностей и создания единой высоковольтной сети СССР.
В 1924 г. на базе ГФТРИ была создана Ленинградская физико-техническая лаборатория (ЛФТЛ), А.Ф. Иоффе и А.А. Чернышев продолжили работу в ЛФТЛ в должностях директора и заместителя директора. Чернышев руководил также отделом связи ЛФТЛ, где под его руководством проводились разработки по радиотехнике и совершенствованию изоляции.
В 1929 г. он был избран членом-корреспондентом Академии наук.
Уже в конце 1920-х гг. Чернышев с группой сотрудников ГФТРИ проводил работы, направленные на решение важной проблемы – защиты линий связи от индуктивных влияний линий высокого напряжения и сильного тока. Он является изобретателем газовых разрядников, получивших применение как для управления механизмами на расстоянии, так и для защиты линий слабого тока от перенапряжений, появляющихся в них при коротких замыканиях на высоковольтной линии.
Еще одной областью электротехники, которую разрабатывал Чернышев, является связь токами высокой частоты по линиям высокого напряжения. Еще в 1922 г. ученый практически реализовал телефонную связь по проводам высоковольтной линии Кашира–Москва, работавшую при напряжении 110 В. Чернышев рассматривал дальнейшее развитие систем связи и защиты энергосистем как необходимое условие организации единой высоковольтной системы СССР.
