W czasie wojny domowej w Rosji lat 1918–1920 Łuzin wyjechał z Moskwy do Iwanowsko-Wozniesienskiego Instytutu Politechnicznego utworzonego w 1918 roku wskutek ewakuacji Ryskiego Instytutu Politechnicznego, po czym wrócił do Moskwy w 1920 roku.
W 1912 roku Łuzin obalił hipotezę Pierre’a Fatou z 1906 roku przez zbudowanie prawie wszędzie rozbieżnego szeregu trygonometrycznego o współczynnikach zbieżnych monotonicznie do zera, czym zaskoczył większość ówczesnych matematyków. Jego praca magisterska z 1915 roku rozwijała metryczną teorię funkcji, Łuzin podał w niej listę nierozwiązanych problemów, które współcześnie od dziesięcioleci stanowią źródło inspiracji matematyków. W 1919 roku udowodnił ważny wynik teorii właściwości brzegowych funkcji analitycznych dotyczący niezmienności zbiorów punktów granicznych w ramach odwzorowań konforemnych. Wraz ze swym uczniem Michaiłem Suslinem opracował teorię zbiorów analitycznych, oraz wbrew argumentom Lebesgue’a wykazał, że rzut zbioru borelowskiego nie zawsze jest zbiorem borelowskim. Udowodnił, że każda probabilistyczna miara borelowska na przestrzeni polskiej jest wewnętrznie regularna.