Кулибин овладел в совершенстве часовым делом и начал изобретать и изготавливать всё более замечательные часы. Они и принесли ему славу. Однажды ему довелось ремонтировать дорогие и сложные часы «с репетициями» у самого губернатора.

Молодой нижегородский часовщик-изобретатель стал известен уже далеко за пределами своего города. Отовсюду стали привозить Кулибину сломанные часы для починки. Но его увлекали не только они. Его мысль работала над проектами создания многих других машин, механизмов и приборов.

Кулибин сделал два телескопа, микроскоп и электрическую машину. Чтобы оценить эти работы, следует помнить, что изготовление сплава для зеркал было тогда секретом английских мастеров. Секрет Кулибин разгадал самостоятельно.

Неизвестно, когда у Кулибина возникла мысль сделать часы, каких ещё не видели ни в России, ни за границей. Денег у изобретателя не было, но о попытке создания невиданных часов прослышал богатый волжский купец Костромин, большой приятель отца Кулибина, человек любознательный и просвещённый. Он и предложил Кулибину свою помощь: деньги на материалы и инструменты, а также взялся содержать всю семью изобретателя и его помощника Пятерикова вплоть до окончания работы.

В мае 1767 г. после почти трёх лет упорного труда Кулибин почти закончил изготовление своих удивительных часов. «Видом и величиною между гусиным и утиным яйцом», они были заключены в затейливую золотую оправу.

К тому времени прошёл слух, что Екатерина II захотела посетить Нижний Новгород. Купец Костромин очень заволновался. Он приказал Кулибину закончить часы обязательно к приезду Екатерины II. Купец решил, что если уж представляться императрице, то следует её приветствовать торжественной одой. Поэтому велел Кулибину сочинить и оду. Тот и оду сочинил и часы собрал. Но... часы не шли. Купец был вне себя от ярости, Екатерина II должна была приехать через день.

Кулибин заперся с учеником в мастерской, вновь полностью разобрал часы и собрал их к приезду императрицы. Они пошли.

Часы, преподнесённые в дар Екатерине II, были столь замечательны, что изобретателя вызвали в Петербург и назначили в конце 1769 г. руководителем механических мастерских Академии наук.

Часы Кулибина, состоявшие из 427 миниатюрных деталей тончайшей работы, имели часовой, боевой и курантовый механизмы. Каждый из этих механизмов имел свой особый суточный завод. Отсчитывая часы и минуты, часы били каждый час, полчаса и четверть часа. Кроме того, особый механизм приводил в действие фигуры крохотного театра-автомата, устроенного в часах. На исходе каждого часа створчатые дверки открывали «златой чертог», в котором автоматически разыгрывалось представление, сопровождаемое музыкой и звоном колоколов. При помощи особых стрелок можно было вызывать действие театра-автомата в любой момент. Часы воспроизводили различную музыку: духовные стихи и гимн, сочинённый в честь императрицы самим Кулибиным. Это один из самых удивительных автоматов, известных в истории.

Купцу Костромину за меценатство была выдана серебряная кружка с надписью: «За добродетель его, оказанную над механиком Иваном Петровым, сыном Кулибиным...» Да за то же — тысяча рублей награды, что вполне окупило расходы на содержание всей кулибинской семьи.

В Петербург Кулибин привёз электрическую машину, микроскоп и телескоп своей работы, изготовление которых потребовало решения сложных задач по составлению рецептуры сплава для металлических зеркал, получению этого сплава, шлифовке зеркал и линз. Свои творения он положил к ногам императрицы.

К этому времени он самостоятельно овладел основами технических знаний и чертёжным делом.

С переездом в столицу наступили лучшие годы в жизни Ивана Петровича. Он оказался в самом центре развития русской науки и мог постоянно общаться с академиками и другими выдающимися людьми.

В академических мастерских, которыми он стал руководить, работали замечательные мастера, воспитанные А. К. Нартовым и М. В. Ломоносовым.

Но судьба Кулибина была по-своему трагической: многое из того, что он изобрёл, так и осталось непретворённым в жизнь. Многие высокопоставленные лица всё время стремились превратить Кулибина в придворного механика, требуя от него создания механизмов, предназначенных для развлечения и удовлетворения их прихотей.

Работать было очень трудно из-за волокиты, возникавшей на каждом шагу при получении материалов и средств. Помощников Кулибина и его самого постоянно отвлекали для выполнения пустых затей, устройства фейерверков и т. п.

Длительная канцелярская волокита началась с первых же дней по его приезде в Петербург. Оформление в должности закончилось только 13 января 1770 г., когда Кулибин подписал «кондицию» — договор о его обязанностях на академической службе.

Он должен был: «иметь главное смотрение над инструментальною, слесарною, токарною и над тою палатою, где делаются оптические инструменты, термометры и барометры». Его обязали также: «чистить и починивать астрономические и другие при Академии находящиеся часы, телескопы, зрительные трубы и другие, особливо физические инструменты от Комиссии (то есть от руководящего органа Академии) к нему присылаемые». «Кондиция» содержала также особый пункт о непременном обучении Кулибиным работников академических мастерских: делать нескрытное показание академическим художникам во всём том, в чём он сам искусен.

Предусмотрена была также подготовка определяемых к Кулибину для обучения мальчиков (ему платили по сто рублей за каждого ученика), которые «сами без помощи и показания мастера в состоянии будут сделать какой-нибудь большой инструмент, так, например, телескоп или большую астрономическую трубу от 15 до 20 футов, посредственной доброты».

За руководство мастерскими и работу в них И. П. Кулибину положили 350 рублей в год, предоставив ему право заниматься во вторую половину дня его личными изобретениями.

Так Кулибин стал «Санкт-Петербургской академии механиком». Теперь его деятельность, богатая открытиями и изобретениями, была насыщена и мучительными переживаниями от того, что ему мешали сосредоточиться на своём творчестве и воплотить в жизнь лучшие из его изобретений и проектов.

И. П. Кулибин работал в Академии более тридцати лет и стал непосредственным продолжателем трудов А. К. Нартова и М. В. Ломоносова, много сделавших для развития академических мастерских и уделявших им особенное внимание.

К моменту вступления Кулибина в должность руководителя академических мастерских они были оснащены первоклассным по тому времени оборудованием, располагали весьма квалифицированными мастерами, обладавшими высокой технической культурой. Постоянное общение с выдающимися учёными окрыляло мысль изобретателя, и именно благодаря этому он смог с таким успехом решать большие технические проблемы.

Он изучал «Диоптрику» и другие оптические труды Л. Эйлера, знал труд Н. И. Фуса по телескопам, сочинение академика С. К. Котельникова, излагающее учение о равновесии и движении тел, а также о трении и т. д. Это наталкивало его на новые технические идеи.

С самого начала своей работы в академических мастерских Кулибин взялся за их оснащение ещё более совершенным оборудованием. Много приспособлений, инструментов и станков было создано им самим. Одновременно он привлекал новых работников и учеников.

«Сделано И. П. Кулибиным» — эту марку можно поставить на многих научных приборах, использовавшихся в России во второй половине XVIII в.: «инструменты гидродинамические», «инструменты, служащие к деланию механических опытов», инструменты оптические и акустические, готовальни, астролябии, телескопы, подзорные трубы, микроскопы, «электрические банки», солнечные и иные часы, ватерпасы, точные весы и многие другие.

«Инструментальная, токарная, слесарная, барометренная палаты», работавшие под руководством И. П. Кулибина, снабжали разнообразнейшими приборами учёных, академические научные экспедиции, многие учреждения: Кабинет его величества, Коммерц-коллегию и др. Многие приборы и инструменты поступали также в продажу.