В 1927 г. опять же по настоянию своего учителя Иван Антонович отправляется в самостоятельную палеонтологическую экспедицию на реки Шарженгу (приток р. Юга) и Ветлугу (приток р. Волги). Он проводит раскопки и привозит изумительную по сохранности коллекцию черепов раннетриасовых лабиринтодонтов. Удача окрылила начинающего палеонтолога и порадовала его учителя, увидевшего в юноше подтверждение своих надежд. Эти работы Ефремов продолжил и в следующем году и, помимо раскопок, провел обстоятельное геологическое изучение местонахождений. С тех пор и до настоящего времени триасовые местонахождения по Ветлуге и Югу, а также на г. Богдо приносят массу новых материалов. Они стали классическим объектом палеонтологических исследований.
Иван Антонович как охотник за ископаемыми был исключительно удачлив. Причина, как он сам объяснял, была проста: он отправлялся в экспедицию с верой в успех. В этом он явно сходился с Гераклитом, по мнению которого тот, кто не ожидает найти нечто неожиданное, не найдет его, потому что это будет для него непосильным.
В 1928 г. умер академик П. П. Сушкин и на плечи Ивана Антоновича легла забота о продолжении дела любимого учителя. Работа и учеба у Сушкипа принесли плоды, и вслед за первой статьей Ефремов публикует ряд чисто палеонтологических описательных статей по древним наземным позвоночным, преимущественно лабиринтодонтам. Первого открытого на р. Шарженге и описанного в 1929 г. лабиринтодонта-бентозуха он называет в честь своего учителя: Bentosuchus sushkini.
Интуиция, или научное предвидение, впервые обнаружилось у И. А. Ефремова в 1929 г. после знакомства с основами геологии и общей историей лика Земли. В отличие от принятых тогда взглядов он высказал предположение, что океанические впадины не являются ровными и покрытыми равномерным слоем осадков, а имеют, подобно континентам, сложный рельеф и свою геологическую историю. Положительные формы рельефа на дне впадин лишены, как он полагал, мощных толщ осадков и доступны изучению. В надежде па публикацию он послал рукопись в журнал «Geologische Rundschau». Из Германии пришел ответ от самого Отто Пратье — крупнейшего геолога-тектониста немецкой школы. Он писал, что взгляды Ефремова — обычные домыслы и невежество дилетанта, а дно океанов ровное и покрыто сплошным, толстым слоем осадков. Ни копии статьи, посланной в журнал, ни ответа Пратье не сохранилось, но Иван Антонович при случае любил вспоминать эту историю. Время подтвердило его правоту. Теперь составлены подробные карты дна океанов и можно только изумляться необычайной сложности и величественности форм подводного рельефа. Системы гигантских горных хребтов с обнажениями коренных пород, приподнятых на километры над дном океанов, протягиваются через Атлантику, огибают Южную Африку, гигантским клином рассекают Индийский океан, продолжаются далее между Антарктидой и Австралией и, наконец, поворачивают на север через Тихий океан. К тому же эта картина океанического дна осложнена сбросами, впадинами, разломами и зонами вулканизма. Надо думать, ответ Пратье не обескуражил начинающего ученого. Соображения о сложности подводного рельефа остались. Позднее, когда морская геология окончательно оформилась, а И. А. Ефремов заканчивал свою «Тафономию», ему уже виделись контуры другой, морской тафономии во всей ее специфике и многообразии процессов. «Применение тафономии к анализу геологической летописи морских отложений, — писал он в «Предисловии» к книге, — составит следующую ступень развития этой новой отрасли палеонтологии и исторической геологии» [58, с.4].
В полевом сезоне 1929 г. И. А. Ефремов участвовал в двух экспедициях: у северных предгорий Тянь-Шаня, где он исследовал «динозавровый горизонт» Средней Азии, и в Оренбуржье, где он изучал заброшенные шахты и отвалы Каргалинских медных рудников. В них еще со времен В. Н. Татищева и В. И. Геннина были известны кости ископаемых животных. С этого года И. А. Ефремов уже не препаратор, а научный сотрудник второго разряда Остеологического отдела Геологического музея.
Весной 1930 г. на базе Остеологического отдела и Северодвинской галереи Геологического музея создается Палеозоологический (впоследствии переименованный в Палеонтологический) институт АН СССР. Иван Антонович автоматически становится сотрудником института и через два года переводится в научные сотрудники 1-го разряда. В этом же 1930 г. он работает в Урало-Двинской экспедиции и продолжает изучение пермских и триасовых местонахождений по северу Европейской части СССР и в Приуралье, где расширяет район поисков остатков пермских позвоночных в медистых песчаниках. Здесь он возглавляет геолого-съемочную партию и снова работает в заброшенных шахтах Каргалинских рудников в районе поселка Горный. В поселке он был не раз, снимал под базу дом Самодуровых, завел знакомства со старыми горнорабочими, помогавшими ему своим участием и советами в исследовании горных выработок, в том числе Левского и Кузьминовского рудников. Позднее местные краеведы установили на стене дома мемориальную доску с надписью: «В 1929–1930 гг. в этом доме останавливался известный геолог и писатель Иван Антонович Ефремов».
Получение палеонтологических остатков и раскопки — процесс, неизбежно связанный с изучением вмещающих пород. Это требует определенных геологических знаний и навыков. Ефремов научился расшифровывать взаимосвязь окаменелостей с особенностями и типами вмещающих горных пород.
Энергия и жажда знаний переполняли неугомонную натуру ученого и искали выхода. Энтузиазм первых пятилеток, грандиозность задач и необходимость скорейшего освоения минеральных богатств для нужд народного хозяйства страны не оставили Ефремова равнодушным. Не оставляя зимней «академической» работы, он участвует в геологических экспедициях по Уралу и малоисследованным районам Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Период 1931–1935 гг. в биографии И. А. Ефремова особенно переполнен событиями. Это время накопления палеонтологического опыта, наконец, общей систематизации геологических знаний через учебу, без которой он не представлял себе дальнейшей работы. В конце концов, эта концентрация достигла той степени уплотненности, за которой неизбежно последовали годы отдачи и реализации опыта и знаний.
22 июня 1931 г. Дальневосточный краевой исполнительный комитет Хабаровска выдает молодому ученому удостоверение, в котором, в частности, указывается, что «Начальник отряда Нижне-Амурской геологической экспедиции Академии наук СССР тов. Ефремов Иван Антонович командируется в Эворон-Лимурийский район во главе отряда экспедиции для производства геологических работ. Предлагается всем организациям оказывать всяческое содействие отряду экспедиции в его работе». Из Хабаровска Ефремов спускается на пароходе по Амуру до глухого таежного с. Пермского и дальше на лодке до устья р. Горин, исследует долину этой реки, включая район оз. Эворон. В 1932 г. па месте с. Пермского (в 1888 г. здесь было всего 27 дворов) начнется строительство города Комсомольска-на-Амуре.
Еще одно командировочное удостоверение И. А. Ефремов получил 14 июля 1932 г. от Восточно-Сибирского краевого исполнительного комитета Иркутска: геолог Ефремов в качестве начальника отряда «по изысканиям железнодорожной линии Лена-Бодайбо-Тында… командируется для производства изысканий от р. Олёкмы и до пос. Тында. Предлагается всем советским организациям оказывать полное содействие в выполнении возложенного на начальника задания». В задачу экспедиции, как позднее отмечал Иван Антонович, входила маршрутная геологическая съемка этого наиболее краткого и удобного для прокладки железнодорожной трассы участка. Проделав 600 км по рекам Нюкже, Верхней Ларбе и ее притоку — Аммуначе, затем преодолев перевал, отряд Ефремова спустился в долину р. Гсткан и достиг Тынды. Участники похода задержались на старте, и поэтому двигаться пришлось с максимальной скоростью. Последнюю треть пути Ефремов и его спутники шли по глубокому снегу и при морозах до -28°. В наши дни один из отрезков БАМа проложен по маршруту отряда Ефремова.