Во время работ в северо-западной части Чёрного моря Сергей Алексеевич обнаружил (1908) заросли красной водоросли филлофоры (площадью более 10000 кв. км), которые представляют большую ценность как исходное сырьё для промышленной добычи йода.
Результатом многолетних исследований закономерностей жизни гидросферы Чёрного моря явилась классическая монография «К вопросу об изучении жизни Чёрного моря» (1913), ставшая первой экологической диссертацией в России, за что в 1914 г. Зернов получил степень магистра зоологии в Московском университете. В этом же году он был приглашён на должность профессора гидробиологии (отделение рыбоведения) в Московский сельскохозяйственный институт. В течение нескольких десятилетий Зернов читал уникальный курс лекций по общей гидробиологии в Московском сельскохозяйственном институте – Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева и в МГУ (с 2005 – Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева).
Большую роль в развитии отечественной гидробиологии и ряда смежных дисциплин сыграло «Общество исследователей воды и её жизни», созданное С.А. Зерновым. Первое в стране объединение гидробиологов просуществовало 10 лет (1922–1932). Его председателем был С.А. Зернов.
Наряду с преподавательской и общественно-организационной деятельностью С.А. Зернов принимал участие в комплексных экспедициях на судах «Малыгин» (1921) и «Персей» (1923), которые занимались исследованиями донной фауны, планктона, рыб на обширных пространствах Белого, Баренцева и западной части Карского морей. Являлся членом президиума Международного объединения лимнологов (с 1921 г.), представлял СССР на международных гидробиологических съездах (1921, 1925, 1927).
В 1931 г. С.А. Зернов был назначен директором Зоологического музея АН, кардинально реорганизованного им (в соответствии с состоянием современной науки) в Зоологический институт с четырьмя отделениями. В эти годы он вёл напряжённую работу по подготовке к печати капитального труда «Общая гидробиология» (1934), которая представляла в итоге обширное оригинальное научное исследование огромного материала по всестороннему изучению важнейших бассейнов гидросферы, по экспериментальному, физиологическому изучению водных организмов.
С.А. Зернов положил начало существованию Мурманской биологической станции АН СССР в Дальних Зеленцах (1936), первого рыбохозяйственного института (Мосрыбвтуз).
Труды С.А. Зернова, его научная, педагогическая и организационная деятельность высоко ценились отечественными и зарубежными исследователями. Его имя было присвоено Мурманской биологической станции АН СССР. Он являлся общепризнанным учителем нескольких поколений исследователей и практиков-гидрологов.
Основные труды:
- Зернов С.А. К вопросу о годичной смене черноморского планктона у Севастополя // Изв. Имп. акад. наук. 1904. Т. 20. № 4. С. 119–134.
- Зернов С.А. Фация филлофоры (Algae-Rhodophceaae): Филлофорное поле в северо-западной части Чёрного моря // Ежегодник Зоол. музея Акад. наук. 1909. Т. 14. С. 181–191.
- Зернов С.А. К вопросу об изучении жизни Чёрного моря // Зап. Имп. акад. наук по физ.-мат. отд-нию. 1913. Т. 32. № 1. С. 1–299.
- Зернов С.А. Монография «К вопросу об изучении жизни Черного моря» (1913).
- Зернов С.А. Общая гидробиология (1934).
- Зернов С.А. Изучение донной производительности морей СССР // Труды Ноябрьской юбилейной сессии Акад. наук СССР. - Л., 1933.
- Зернов С.А. Общая гидробиология, 2 изд.. - М.—Л., 1949.
- Зернов С.А. Коренные и пришлые элементы фауны СССР и прилегающих морей. - М.—Л., 1938.
- Зернов С.А. О пределах жизни при отрицательных температурах в незамерзающей воде в природных условиях // Доклады Акад. наук СССР. – 1944. – Т. 44. - № 2.