1940年，阿西莫夫以优异的成绩成为哥伦比亚大学的研究生，同年，他发表了《我，机器人》的第一个短篇故事《小机》，刊登于1940年9月号的《超级科幻小说》。1950年底，他在格言出版社出版了长篇小说《我，机器人》，其中收录了九个机器人短篇小说，这些短篇故事各自独立，却拥有共同的主题——探讨人类与机器人间的道德伦理问题。正是在这些作品中，阿西莫夫提出了被认为奠定了现代机器人学基础的“机器人三大定律”，即“机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观”，“在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类给与的任何命令”以及“在不违反第一定律和第二定律的前提下，机器人必须尽力保护自己”。“机器人三大定律”最终成为当代机器人学的基本法则，几乎所有有关机器人的作品都围绕这三条定律展开。

这部小说于2004年改编成现代科幻电影，由亚历克斯·普罗亚斯执导，威尔·史密斯、布鲁斯·格林伍德和詹姆斯·克伦威尔主演。在改编后的电影里，2035年，人与机器人已经实现了和谐相处，智能机器人成为最好的生产工具和人类伙伴，逐渐深入人类生活的各个领域，并且由于机器人“三大法则”的限制，人类对机器人十分信任。然而机器人在人类不知不觉中具备了自我进化的能力，成为人类社会的“机械公敌”。2005年该电影获第77届奥斯卡最佳视觉效果奖提名。

1950年，双日公司出版了阿西莫夫的首部长篇科幻小说《苍穹一粟》(Pebble in the Sky)，后来被归于“银河帝国三部曲”的开篇之作，讲述了一个20世纪的裁缝穿越到数万年后的银河帝国的故事。以“高产”著称的阿西莫夫在1951年发表“基地三部曲”首篇《基地》后，又发表了“银河帝国三部曲”的第二篇《繁星若尘》(The Stars, Like Dust)。紧接着，1952年12月，他再次出版了“银河帝国三部曲”的最后一部《星空暗流》（The Currents of Space）。这三部小说最终按照《繁星若尘》、《星空暗流》和《苍穹一粟》的顺序组合成为著名的“银河帝国三部曲”。

1951年，阿西莫夫发表了“基地三部曲”中的首部长篇《基地》，紧接着1952年又出版了三部曲第二篇《基地与帝国》，第三篇《第二基地》则于1953年正式出版。小说讲述了统治银河系达一万两千年之久的银河帝国在走向衰亡期间，一代宗师哈里·谢顿准确预见到即将到来的漫长黑暗时期，于是联合帝国最优秀的科学家来到银河边缘一个荒凉行星建立“基地”，使之成为未来人类希望的灯塔。这一经典之作在经过多家制片公司的“拉锯战”争抢之后，几度传出改编成电影或电视剧的消息，但最终均无疾而终，因原著中抽象的意境和深邃的思想很难用电影手法进行准确地表现。2018年，苹果公司确定投资拍摄并在流媒体平台Apple TV+上播出，三部曲将拍成10集剧集。此图为《基地》一书1976年版封面，插画艺术家：Paul Lehr。

1953年底至1954年初，阿西莫夫完成了他著名的时空旅行作品《永恒的终结》（The End of Eternity），这部作品被许多科幻迷奉为阿西莫夫的最高杰作，揭示了关于时间旅行的终极奥秘，赋予读者奇幻瑰丽的恢弘构想。在这部作品里，人类于27世纪掌握了时间旅行技术，成立了一个叫做“永恒时空”的组织，在每个时代默默守护人类社会，然而这种稳定和安全却在某一天迎来了终结。这部作品于1955年由双日公司正式出版，据说编辑们从此原谅了阿西莫夫的英语语法错误，有一些语法问题也被故意保留下来，认为一旦改正了这些错误，阿西莫夫的小说便不再是“阿西莫夫式”的了。
此图为《永恒的终结》一书1971年版封面，插画艺术家：Paul Lehr。

1954年，阿西莫夫出版了《钢穴》(The Caves of Steel)，这本书比之前的每一部都要畅销，因此1955年，阿西莫夫又开始着手创作续集《裸阳》，并于1957年由双日公司正式出版。《钢穴》是阿西莫夫“机器人系列”的第二部作品，从崭新的角度讲述机器人的故事，被誉为经典科幻侦探小说，曾在1964年由英国广播公司（BBC）改编成电视剧；1989年6月，BBC再次将之改编成广播剧。在这本书中，阿西莫夫还惊人地预言了“未来”：书中角色利用基因改造，控制自己的外表并延长生命，而如今这已经成为现实。此图为1991年版小说封面。

1969年，阿西莫夫与友人罗伯特·西尔沃伯格合作，将自己早期的一些短篇故事扩写成长篇小说，其中包括《日暮》（Nightfalls）。这部小说先后两次被改编为电影，分别于1988年和2000年上映。

小说中的卡尔盖什星球拥有六颗太阳，每隔2049年才会迎来一次黑夜。长篇将故事延展为三个部分：第一部分讲述科学家如何探索导致黑夜的日食；第二部分讲述黑夜降临后科学与宗教的冲突；第三部分讲述黑夜过后世界的疯狂与混乱。与阿西莫夫原作不同，相比展示千年一现、震撼人心的经典科幻场景，长篇版本更注重表现宗教与科学之间的激烈冲突，警示人们科学对人类世界保持理智、清醒的重要意义。此图为1988年版电影《日暮》剧照。

1972年，阿西莫夫发表了描写外星人的科幻小说《神们自己》（The Gods Themselves）。作品标题出自萧伯纳描写圣女贞德的剧作中的一句话：面对愚昧，神们自己也缄口不言。小说中，22世纪的地球可以和平行宇宙进行物质交换，从此拥有了源源不断的能源供给，然而只有极少数人了解事实真相：人类将为看似源源不绝的免费能源付出巨大的代价。凭借这部作品，阿西莫夫再次获得雨果奖、星云奖和轨迹奖。

1986年底，阿西莫夫将自己的科幻小说《机器管家》(Bicentennial Man)的拍摄权卖给制作人尼尔·米勒。科幻电影《机器管家》于1999年在美国上映，克里斯·哥伦布执导，罗宾·威廉姆斯、艾伯斯·戴维斯和萨姆·尼尔主演，讲述了机器人安德鲁作为管家和马丁一家人共同生活，并与人类相爱，最终从机器人变为人类的故事。影片不仅对人类和机器人之间的情感、伦理等诸多问题进行了讨论，还以精细的制作展示了惊人的特效，曾获得2000年第72届奥斯卡金像奖最佳化妆提名。