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.