Умов помимо теоретических исследований стал интересоваться и экспериментальной физикой, сохраняя сей непраздный интерес до конца жизни. В 1888–1891 гг. он экспериментально исследовал диффузию веществ в водных растворах; поляризацию света в мутных средах; открыл эффект хроматической деполяризации лучей света, падающих на матовую поверхность. В 1893 профессор Николай Алексеевич Умов вернулся в Москву и стал читать курс теоретической физики в столичном университете. После смерти выдающегося физика А.Г. Столетова, Умов в 1896 возглавил кафедру физики. Он же явился организатором постройки физического института; «Такое положение дел, несогласное ни с обязанностями, ни с достоинством русской нации, должно окончиться… Учреждение в Москве физического института, согласно всем требованиям, предъявляемым современной наукой, соответствовало бы и действительно назревшим потребностям и тому значению, которое имеет в деле просвещения России Московский университет», – писал он.
За годы работы в науке Н.А. Умовым были выполнены важнейшие теоретические и практические исследования. Он занимался исследованиями земного магнетизма, во многом упорядочив эти довольно-таки запутанные на тот момент познания. В первые годы ХХ века Умов провел анализ многих сложных формул Гаусса в теории земного магнетизма, поставив на научную основу вопрос о распределении магнитных сил по земной поверхности. Что позволило определить вековые изменения магнитного поля Земли. Профессор Э. Лейст в заключении к своему очерку, посвященному научным трудам Умова, написал: «Гаусс исходил из геометрического представления и составил потенциальную формулу с эмпирически определяемыми 24 коэффициентами. Умов, наоборот, составил комментарий к этим коэффициентам и перевёл их опять в геометрический образ, но в совершенно иных плоскостях. Так дополняют друг друга два гениальные мыслителя Карл Фридрих Гаусс и Николай Алексеевич Умов».
В последние годы жизни ученый занимался также вопросами относительности и квантовой теории.
В 1910 г. увидела свет первая работа Умова, посвященная теории относительности, созданной Эйнштейном в 1905 г.; спустя два года появляется его новая, более значимая работа по тому же вопросу «Условия инвариантности волнового уравнения», которую знаменитый русский ученый Н.Е. Жуковский назвал лучшим математическим толкованием принципа относительности. Его слова: «Подобно тому, как неевклидовская геометрия и геометрия многих измерений опираются на инвариантность обобщенного представления об элементе дуги, принцип относительности по Умову имеет свое математическое содержание в инвариантности волнового уравнения распространения света». Это были последние работы автора.
Как и многие люди той просвещенной эпохи, русский ученый Н.А. Умов был организатором ряда просветительских обществ; членом Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии; в течение ряда лет избирался президентом Московского общества испытателей природы; выпускал журнал «Научное слово». Сорок лет Николай Алексеевич отдал науке и преподаванию в университетах. Аудитории во