В Казани Николай Зинин оставался до 1848 года, когда он получил приглашение перейти на службу в Санкт-Петербург, чтобы возглавить кафедру химии в Медико-хирургической академии. Здесь он проработал в звании ординарного профессора с 1848 по 1859, в звании академика с 1856, затем заслуженного профессора с 1859 по 1864, и, наконец, в звании «директора химических работ» с 1864 по 1874. Свою профессорскую деятельность в академии он совмещал со многими общественными обязанностями. В разные годы он был ученым секретарем, членом и председателем академического суда, в 1864 и 1866 временно управлял академией. С 1848 он был членом мануфактурного совета министерства финансов, с 1855 – членом военно-медицинского ученого комитета.