Vinogradsky fue pionero en el estudio de los ciclos biogeoquímicos, especialmente el del N, en el que descubrió el proceso de la nitrificación, proceso aerobio por el cual el amonio del suelo se oxida primero a nitrito (por Nitrosomonas, en el mar por Nitrosococcus oceani descubierta en 1965) y después a nitrato (por Nitrobacter), cerrando así el ciclo y poniendo adisposición de las plantas el nitrato que necesitan como fuente de N. Estas bacterias nitrificantes son quimioautótrofas.
También descubrió el primer organismo litotrofo (que utilizan compuestos inorgánicos reducidos como fuente de energía y de electrones): este término fue propuesto por el microbiólogo francés de origen judío André Lwoff. Vogradsky descubrió en 1887, en el laboratorio del fundador de la fitopatología y de la micología, el alemán Heinrich Anton de Bary, que la bacteria Beggiatoa (nombrada así en honor del médico y botánico italiano Beggiato por Trevisan en 1842) era capaz de oxidar moléculas de sulfuro de hidrógeno, originando gránulos de azufre intracelulares, contribuyendo así al estudio del ciclo biogeoquímico del azufre.
Tras estudiar una "aburrida" secundaria muy cargada de lenguas clásicas y de haber iniciado y abandonado los estudios de Derecho en Kiev y dos años de piano en el Conservatorio Imperial de Música de San Petersburgo, en 1877 entró en la Universidad de San Petersburgo donde estudió química con Nikolai Menchutkin y botánica con Andrei Sergeyevich Famintsyn (Андрей Серге́евич Фаминцын) nacido en 1835 en Moscú y muerto en 1918, en San Petersburgo, el cual, a su vez, fue discípulo del microbiólogo Lev Semyonovich Tsenkovsky (Leon Cienkowski (Лев Семенович Ценковский) nacido en 1822 in Varsovia y muerto en 1887 en Leipzig) , adalid del darwinismo y de las técnicas de vacunación en Rusia. Por fin, Vinogradsky encontró su vocación, que le hizo licenciarse en ciencias a los 24 años en 1881 y empezar a trabajar en la universidad, obteniendo un master en Botánica en 1884. La reputación creciente del científico ruso llegó a oídos del ya citado Heinrich de Bary, a la sazón, profesor en la Universidad de Estrasburgo, que tras la guerra franco-prusiana(1870-71) pertenecía a Alemania, donde había fundado el Jardín Botánico de la Universidad, de modo que le contrató en 1885. Como hemos dicho, en el laboratorio del Dr de Bary, Vinogradsky descubrió la litotrofia en la bacteria oxidante del sulfuro de hidrógeno, Beggiatoa, cuyo estudio había iniciado a sugerencia del alemán. De Bary exclamó orgullosamente: "Ha descubierto una nueva forma de vida!".
En 1888 se mudó a Zurich, donde comenzó a estudiar el proceso de la nitrificación. Retornó a san Petersburgo en 1891, permaneciendo en esta ciudad hasta 1905, año en que acaba con derrota para Rusia la guerra ruso-japonesa, iniciada el año anterior. En ese período dirigió la División de MIcrobiología General, del Instituto de Medicina Experimental, donde identificó la bacteria anaerobia fijadora de nitrógeno Clostridium pasteurianum. En 1901 fue elegido miembro honorario de la Sociedad de Naturalistas de Moscú (Московское общество испытателей природы ), fundada en 1805 por Johann Gotthelf Fischer von Waldheim (Grigorij Ivanovitsch Fischer von Waldheim, en cirílico Григорий Иванович Фишер фон Вальдгейм), médico anatomista, entomólogo y paleontólgo, sajón (alemán) de nacimiento (de Wladheim) y ruso de adopción, y en 1902, miembro de la Academia de Ciencias francesa, fundada en 1666 por Luis XIV.
A partir de 1905 comenzó a pasar grandes temporadas en su propiedad de Suiza, sindo invitado en 1922 a dirigir la División de Microbiología agrícola del Instituto Pasteur, en un laboratorio situado en Île de France, donde estudió bacterias del hierro, fijadoras de N, como Azotobacter, etc. Se retiró en 1940, viviendo sus últimos años en esta pequeña localidad francesa.
Inventó la Columna de Vinogradsky, modelo ecológico bacteriano que recrea diferentes ambientes para diferentes metabolismos bacterianos:
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