We wrześniu 1910 otrzymał nominację na profesora nadzwyczajnego, został kierownikiem II Katedry Matematyki. W latach 1910–1914 wydał pierwsze swoje książki: Teoria liczb niewymiernych, Zarys teorii mnogości, Teoria liczb. Prace te zostały nagrodzone przez Akademię Umiejętności w Krakowie, która wybrała go w 1917 swoim członkiem korespondentem.
I wojna światowa frame|right|Trójkąt Sierpińskiego jest samopodobny
Wybuch I wojny światowej zastał go z rodziną na Białorusi w majątku teściów, Poznajowie. Jako poddany austriacki został internowany w Wiatce. Dzięki staraniom matematyków moskiewskich zezwolono mu w 1915 r. na przyjazd do Moskwy. Wówczas nawiązał przyjaźń i współpracę z Mikołajem Łuzinem, z którym opublikował 8 wspólnych prac. W Wiatce i Moskwie napisał I tom Analizy matematycznej, dedykując tę pracę reaktywowanemu Uniwersytetowi Warszawskiemu.
W lutym 1918 przez Finlandię i Szwecję wrócił do Polski i przez semestr letni 1918 wykładał na Uniwersytecie Lwowskim, a od jesieni 1918 wykładał już na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie w kwietniu 1919 otrzymał nominację na profesora zwyczajnego.