Работа в Нэви Ярд не могла долго спасать Азимова от регулярной службы и 1 ноября 1945 года, через несколько месяцев после окончания войны, он был призван рядовым. Он служил клерком в подразделении, которое готовило испытания атомной бомбы в Тихом Океане, но был отправлен в Штаты еще до первого взрыва. (Больше Азимов никогда не летал на самолетах — он патологически боялся высоты). Демобилизовался он в июле 1946 года.

Вернувшись в Колумбийский Университет, он продолжил работу над докторской диссертацией по химии. Как аспирант, он вел семинары по своей теме. Во время первого его семинара один из студентов, глядя на уравнения, которыми Азимов исписал всю доску, проворчал, что он не поймет этого никогда. «Чепуха, — сказал Азимов. — Следите за тем, что я говорю, и все будет ясно, как божий день».

Это был первый знак, указывавший, куда поведет его судьба.

Один из первых его вкладов в «публицистику» был напечатан в мартовском номере «Astounding» за 1948 год. Статья называлась «The Endochronic Properties of Resublimated Thiotimoline» («Эндохронические свойства ресублимированного фиотимолина») и была злой пародией на докторскую диссертацию по химии. Кэмпбелл обещал напечатать ее под псевдонимом, но замотался и забыл. Через несколько месяцев Азимову предстояла защита и он пришел в ужас при мысли, что это прочитают его профессора. Ему же не простят! К его изумлению, статья стала невероятно популярна именно среди ученых-химиков — это был первый его литературный опыт, имевший успех вне круга читателей НФ. Через несколько месяцев, уже на защите, один из профессоров спросил его: «Что вы, мистер Азимов, можете сказать нам об изменении термодинамических характеристик вещества, называемого фиотимолин?» Сраженный Азимов выдавил из себя жалкую улыбку. Через пять минут он стал доктором наук.

1949 год стал для Азимова поворотным во многих отношениях. Он закончил рассказ «…And Now You Don't» («…а теперь — нет»), последний рассказ серии «Основание», давшийся ему с огромным трудом. Серия успела ему осточертеть, и он дал себе слово больше к ней не возвращаться — это слово он стойко держал 32 года. В апреле он получил извещение, что принят преподавателем биохимии на Медицинскую школу при Бостонском Университете. (Он не изучал до этого биохимию, но в Бостонском Университете никому до этого не было дела). И он подписал контракт с издательством «Doubleday» на издание своей первой книги — романа «Pebble in the Sky» («Камешек в небе») — и получил 500 долларов авансом. Это была очень необычная вещь по тем временам — роман выпускался отдельным изданием, не будучи до того «пропущен» через журналы — сокращенный вариант романа, «Grow Old Along With Me» («Взрослей со мной»), был отвергнут в большинстве редакций.

Пятидесятые годы стали для Азимова поворотными. Он все еще дружил с Кэмпбеллом, но преклонение перед мэтром исчезло. Опубликовав «Дианетику» Л. Рона Хаббарда, Кэмпбелл потерял в глазах Азимова даже остатки былого величия. А с учетом того, что в фантастике появились и новые рынки — «The Magazine of Fantasy and Science Fiction» в конце 1949 и «Galaxy» в октябре 1950 — Азимов не боялся остаться без публикаций, перестав быть «автором Кэмпбелла».

Уолтер Брэдбери, его редактор из «Doubleday», которому невероятно понравился «Камешек в небе», хотел издать еще одну его книгу. Азимов предложил ему «Основание», но Брэдбери рукопись вернул. В «Doubleday» вышли «The Stars, Like Dust» («Звезды как пыль») и «The Currents of Space» («Космические течения»).

В «Doubleday» хотели издать также подростковую серию фантастики, которая, как они надеялись, могла бы стать основой для телесериала. Азимов, оскорбленный убожеством предыдущих предложений телевизионщиков, боялся связывать свое имя с этим проектом, поэтому Брэдбери предложил ему взять псевдоним. Вспомнив, что Корнелл Вулрич подписывался Уильям Айриш (William Irish, Уильям-Ирландец), Азимов придумал себе кличку Поль Френч (Paul French, Поль-Француз).

Это был первый и единственный случай за всю его долгую карьеру, когда он не использовал свое настоящее имя.

К фантастике Азимова стали проявлять интерес и другие издатели. Бостонская фирма «Little, Brown» предложила ему выпустить книгу. Он послал им «Основание», но рукопись вновь была отклонена. Приняла ее компания «Gnome Press». Азимов сделал сборник рассказов о роботах, и Фред Пол, бывший еще тогда его агентом, предложил рукопись Марти Гринбергу из этой же фирмы (не путать с Мартином Х. Гринбергом, позже составлявшим с Азимовым многочисленные антологии), который и выпустил ее под названием «I, Robot» («Я, робот»).

Гринберг напечатал серию «Основание» в трех томах, попросив Азимова дописать небольшой вводный рассказ для первого из них. Доходы от продажи допечаток этой книги Азимов получал регулярно. Через несколько лет об это узнали в «Doubleday», они перекупили права на серию и выпустили всю трилогию в одном томе. Книга эта стала самой значительной за всю писательскую карьеру Азимова. За прошедшие десятилетия она разошлась и продолжает расходиться миллионами тиражами.

Следующим в ряду его успехов был НФ-детектив. «Космические течения», проданные в «Doubleday», печатались «с продолжением» в «Astounding», и Хорас Голд, редактор «Galaxy», тоже захотел напечатать что-нибудь азимовское «с продолжением». Он предложил написать роман о роботах. Азимов возразил, что он писал о роботах только рассказы. Голд предложил написать о перенаселенном мире, где роботы выполняют всю работу за людей. Азимов посчитал эту картину подавляющей. Голд, зная слабость Азимова к детективам, предложил использовать такую картину мира как декорации, на фоне которых человек и робот распутывают убийство.

Роман «The Caves of Steel» («Стальные пещеры»), вышедший в 1954 году, стал одним из лучших романов Азимова. Исследователь детективной литературы А. Э. Мерч в своей книге «The Development of the Detective Novel» («Развитие детективного романа», 1958) писал:

К концу 1954 года Азимову было уже 34. Он был в зените своей писательской карьеры, опубликовав «Я, Робот», «Основание», «Камешек в небе», «Звезды как пыль», «Космические течения» и «Стальные пещеры».

Но истинное будущее его карьеры открыла «The Chemicals of Life» («Химия Жизни»), научно-популярная книга для подростков. К собственному изумлению, он обнаружил, что писать документальные и популяризаторские книги легче, чем художественную литературу. Это был не первый его опыт такого рода — начав преподавать в Бостонском Университете, он принялся вместе с докторами Уильямом Бойдом и Бернхэмом Уолкером писать учебник «Biochemistry and Human Metabolism» («Биохимия и метаболизм человека»), вышедший в 1952 году. Азимов считал эту книгу неудачной.

«Химию жизни» он, напротив, считал большим успехом. У популяризаторской публицистики были более широкие возможности публикации — в том числе и в НФ-журналах. Азимов предложил в «Astounding» небольшую статью «Hemoglobin and the Universe» («Гемоглобин и Вселенная») и Кэмпбелл ее купил. Азимов был невероятно доволен. Он мог уклониться от необходимости писать в профессиональные научные журналы и получил возможность работать для подростковой аудитории.