Луиза смогла устроить детей в частную школу Диттлера. Здесь Эмилий проявил великолепные способности в математике и естественных науках. Не отставал он и по другим предметам и скоро стал лучшим учеником гимназии. По совету дяди юноша, окончив гимназию, поступил на естественнонаучный факультет Дерптского университета. И здесь Эмилий проявил свои способности, кроме того, он приобрел опыт работы с физическими приборами, который очень пригодился ему в дальнейшем.
В 1821 году умер Ф. И. Гизе, в результате чего юноша и его семья остались без поддержки. Эмилий был вынужден перейти на теологический факультет, учеба на котором давала определенное материальное обеспечение. Но и сам Ленц, и его преподаватели прекрасно понимали, что для богословия он не создан. Помимо лекций теологического факультета, Эмилий продолжал заниматься физикой и посещал лабораторию. Вскоре ректор университета, профессор Паррот, нашел возможность вернуть талантливого физика в его родную естественнонаучную стихию. Для кругосветной научной экспедиции требовался физик. Ректор рекомендовал на эту должность Ленца. Для нужд экспедиции Паррот и Ленц в короткий срок совместно разработали новые научные приборы: лебедку-глубомер и батометр (прибор для взятия проб воды и определения ее температуры на различных глубинах).
Экспедиция стартовала в августе 1823 года и продолжалась почти три года. За это время Эмилий Ленц провел множество океанографических, метеорологических и геофизических исследований. Он брал пробы воды с различных глубин, занимался определением ее солености, плотности, температуры, изучал океанические течения. В результате молодой ученый смог вывести зависимость солености морской воды от силы ветров и количества солнечного света: например, на экваторе, при наибольшем количестве солнечного света, ветра не сильны. Образовавшиеся при испарении воды пары остаются над поверхностью моря и препятствуют дальнейшему испарению. Поэтому на экваторе соленость воды меньше, чем к северу и к югу от него, где дуют пассаты. Также Ленц установил, что причиной возникновения океанических течений являются не только ветра, как считалось ранее, но и различия в плотности воды в разных широтах. Эмилий вернулся из экспедиции опытным и умелым ученым-экспериментатором.
Вскоре после возвращения Ленц поселился в Петербурге и посвятил следующий год обработке полученных результатов. Океанографические исследования ученого стали темой диссертации на соискание степени профессора, которая была успешно защищена им в 1827 году в Гейдельбергском университете. В феврале 1828 года ученый подал в Императорскую академию наук доклад: «Физические наблюдения, произведенные во время кругосветного путешествия под командованием капитана Отто фон Коцебу в 1823, 1824, 1825 и 1826 гг.». Работа произвела на академиков прекрасное впечатление, и в мае Ленца единогласно избрали адъюнктом Академии по физике.
В 1829–1830 годах Эмилий Ленц снова принял участие в экспедиции, на сей раз сухопутной. Ее целью было исследование ресурсов земель, недавно вошедших в состав империи в результате Кавказской войны. Ученый принял участие в первой попытке восхождения на Эльбрус, которая, правда, оказалась неудачной. Немного не дойдя до вершины, путешественники были вынуждены повернуть назад из-за большой рыхлости снега, препятствовавшей передвижению. В высшей из достигнутых точек Ленц произвел измерения атмосферного давления, по которым примерно установил высоту вершины. В мае 1830 года ученый вернулся в Петербург. За два месяца до этого он был заочно избран экстраординарным академиком.
К экспериментальным исследованиям электромагнетизма, которые увековечили его имя, Ленц приступил в 1831 году в академической лаборатории. В этом году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Узнав об этом открытии, Ленц сразу же начал исследования, целью которых было определение закономерности этого явления. Особенно ученого интересовало направление индукционного тока. 29 ноября 1833 года в докладе Академии наук Ленц сообщил о найденном правиле, позже названном его именем. Согласно правилу Ленца, индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать изменение потока, которое вызывает данный ток. Доклад этот быстро получил всемирную известность и был опубликован во многих странах Европы. Следует отметить, что правило Ленца ценно не только само по себе, как способ определения направления тока. Оно является важной закономерностью теоретической электродинамики. Кроме того, в 1847 году Гельмгольц математически обосновал закон сохранения энергии и показал, что правило Ленца является следствием этого закона в области электромагнитных явлений.
Научную деятельность Эмилий Ленц сочетал с общественной работой в Академии наук. В 1834 году он стал штатным академиком по физике. Также, в период с 1832 по 1836 год, Ленц обрабатывал и публиковал результаты Кавказской экспедиции.
В 1836 году Эмилий Христианович получил приглашение возглавить кафедры физики и физической географии Петербургского университета. В дальнейшем деятельность ученого была во многом связана с университетом. В 1840 году он стал деканом физико-математического факультета, а в 1863-м – ректором. Но педагогическая деятельность Ленца работой в университете не ограничивалась. Он долгие годы заведовал кафедрой физики Главного педагогического института, преподавал в Морском кадетском корпусе, Михайловской артиллерийской академии. Учениками Ленца были Менделеев, Тимирязев, Семенов-Тян-Шанский и многие другие известные ученые. В 1839 году Эмилий Христианович закончил работу над учебным пособием «Руководство к физике, составленное для русских гимназий». Эта книга благодаря сочетанию высокого научного уровня и доступности изложения стала одним из самых популярных учебников физики и многократно переиздавалась. Ленц постоянно вносил в учебник дополнения и исправления в связи с новыми открытиями в физике. Последнее, тринадцатое издание «Руководства к физике» вышло в 1870 году, уже после смерти автора.
Но все хлопоты, связанные с преподаванием, составлением учебника и административной работой не мешали Ленцу проводить научные исследования. В 1842 году он провел серию блестящих экспериментов по изучению теплового действия электрического тока. Результатом стала статья «О законах выделения тепла гальваническим током», в которой Ленц изложил установленный им закон теплового действия тока. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника. Годом раньше к таким же выводам пришел и английский физик Джеймс Прескотт Джоуль. Сейчас закон носит имя обоих ученых.
