Ещё в период обучения в Германии Ломоносову и его товарищам, как известно, были предписаны занятия рисованием. В течение двух лет Ломоносов систематически упражнялся в рисовании, заложив тем самым прочную основу для дальнейшего развития своих способностей в изобразительном искусстве. Подлинный талант Ломоносова-художника раскрылся в мозаичном искусстве, где слились воедино его естественнонаучные и художественные дарования.

В середине 40-х годов внимание учёного привлекло древнее искусство составлять из цветных стеклянных сплавов (смальт) картины и портреты. В 1745г. канцлер М. И. Воронцов привёз из Рима несколоко мозаичных картин. Эти мозаики отличались богатством оттенков, что напоминало масляную живопись. Но итальянцы хранили в тайне способы приготовления смальт. Ломоносов знал, что ещё в Киевской Руси было распространено мозаичное искусство, но позже секрет изготовления мозаик на Руси был утерян. Ломоносов поставил перед собой задачу возродить в России это забытое искусство.

Постройка в 1748г. Химической лаборатории позволила Ломоносову начать большие исследования по химии и технологии силикатов, а также по теории цветов. Уже в мае 1749г. Ломоносов сообщал в Канцелярию, что в числе других работ он "делал химические опыты, до крашения стёкол надлежащие".

Разработку практических проблем по созданию рецептуры цветных прозрачных и непрозрачных стёкол Ломоносов старался увязать с вопросами теоретической физики и химии. Учёный для получения цветных стёкол провёл многочисленные опыты. Он постепенно усложнял составы смальт, устанавливал влияния температуры плавки на физические свойства стекла, изучал прозрачность получаемых стёкол, их цвет и т. д. Работы Ломоносова шли успешно. В январе 1750г. он продемонстрировал изготовленные им цветные стёкла в Академическом собрании.

В начале 50-х годов Ломоносов разработал методы отливки и шлифовки смальты, из которой предстояло набирать мозаичные картины, а также нашёл состав мастики, с помощью которой смальта скреплялась с медным подносом. Уже в сентябре 1752г. Ломоносов закончил первую художественную мозаичную работу — образ богоматери. Сравнительно небольшая по размерам мозаика (2 фута×19 дюймов, или 60,96×48,26 см) оказалась чрезвычайно трудоёмкой в изготовлении. "Всех составленных кусков, — писал Ломоносов, — поставлено больше четырёх тысяч, все моими руками, а для изобретения составов делано две тысячи сто восемдесят четыре опыта в стеклянной печи".

ЛОмоносов много раз обращался к правительству с предложениями организовать производство смальт и мозаик, художественных и бытовых вещей из цветного стекла. Но правители оставались глухи к призывам учёного. И тогда Ломоносов решил сам наладить это производство. С этой целью он попросил выделить ему участок недалеко от Петербурга, где "есть глина, песок и дрова". Также Ломоносов просил выдать ему в кредит 4 тысячи рублей без выплаты процентов сроком на пять лет. Просьба Ломоносова была удовлетворена. 6 мая 1753г. близ деревни Усть-Рудицы состоялась закладка фабрики.

Место для фабрики Ломоносов выбрал очень удачно — на слиянии двух небольших рек: Рудицы и Коваши. Рудицы имела быстрое течение, и это использовалось для механизации производства. Здесь были возведены плотина, каменная дамба, шлюзы и ворота, а затем построена водяная мельница. Ломоносов непосредственно руководил строительством, которое велось по разработанному им плану. Создавая новую для того времени область промышленности, Ломоносов показал себя не только опытным химиком-экспериментатором и организатором, но и талантливым конструктором станков и приспособлений для стекольного производства.

Возродив в Росии утраченное древнерусское искусство мозаики, Ломоносов одновременно создал и собственную технику мозаичного набора. В отличие от западноевропейских мастеров, набиравших мозаики преимущественно тонкими пластинками смальты, Ломоносов разработал методику набора мозаичных картин четырёхгранными брусками (палочками) различного сечения, длина которых в несколько раз превышала размер бруска. Это обеспечивало прочность набора.

Ломоносову пришлось не только заниматься строительством фабрики и её оснащением, но и заботиться о подготовке специалистов. Крестьяне, которые были приписаны к фабрике, совсем не знали производства, а отсутствие опытных мастеров тормозило развёртывание работ. Немало талантливых крестьянских юношей благодаря заботам Ломоносова получили специальности. Иногда Ломоносову приходилось приглашать специалистов с других заводов. Однако основную часть рабочих составляли усть-урицкие крестьяне. Они принимали участие в изготовлении смальт и изделий из цветного стекла, набирали мозаичные картины, исполняли подсобные работы на фабрике, а с начала 60-х годов и в мозаичной мастерской, возведённой около дома Ломоносова на набережной Мойки.

Начиная строительство фабрики, Ломоносов надеялся на большие гос.заказы. Он надеялся, что налаженное им производство освободит страну от импорта многих товаров. Поэтому он продолжал совершенствовать технологию. В ноябре 1760г. он писал:"...сыскал я надёжный способ делать бисер, пронизки и стеклярус скорым образом, так что могу удовольствовать будущего 1761 года здешнюю внутреннюю комерцию".

Но уже к 1757г. фабрика оказалась в тяжёлом финансовом положении. Ломоносов, не имея опыта и коммерческих способностей, терпел убытки. Продукция не находила сбыта, расходы покрывать было нечем, а кредиторы требовали возврата выданной ссуды. Фабрика была удалена от Петербурга, и это затрудняло реализацию готовой продукции. Поэтому Ломоносов решил открыть в Петербурге лавку для продажи изделий из цветного стекла. Но разрешения не получил. Тогда он обратился в Сенат с просьбой обеспечить фабрику гос.заказами. Учёный подчёркивал, что теперь может делать мозаичные картины для украшения церквей и других публичных зданий. Сенат предписал всем учреждениям и ведомтсавм, занимающимся возведением публичных зданий, предоставлять ЛОмоносову заказы. Прошёл год, за ним другой, но никаких заказов Ломоносов не получил. Чтобы расплатиться с долгами учёному даже пришлось торговать дровами.

Учёный продолжал неутомимо трудиться над созданием мозаичных картин и портретов. В середине 50-х годов в мастерской Ломоносова были созданы великолепные мозаичные портреты Елизаветы Петровны, ПетраI, Анны Петровны и др.Помимо больших мозаичных картин Ломоносов изготавливал и мозаичные миниатюры, к сожалению не дошедшие до наших дней. Качество ломоносовских мозаик было очень высоким. "Все материалы, — писал Ломоносов, — имеют такую же прочность и качество, как и римские, а краки их не изменяются ни от воздуха, ни от солнца, ни вследствие истечения времени, так как они изготавливаются на сильном огне". Время подтвердило правоту слов Ломоносова.

В начале 1758г. Ломоносов разработал проект грандиозного мозаичного монумента в честь ПетраI, который предлагал воздвигнуть в Петропавловском соборе. Ломоносов хотел отразить "знатнейшие дела историческим образом", подразумевая под ними начало правления Петра, "избавление от стрельцов", историю создания флота, взятие Азова, пребывание ПетраI за границей, основание Петербурга, Кронштадта, Петергофа, "Полтавскую баталию" и т.д. Првда вскоре Ломоносов отказался от этого проета, предствив другой, более дешёвый. В нём по-прежнему сохранялась идея украсит стены собора мозаичным панно на темы, отражающие различные этапы жизни и деятельности ПетраI.

В июне 1761г. после долгих проволочек Сенат окончательно утвердил предложенный проект о сооружении монумента в Петропавловском соборе. Однако двухлетняя задержка оказалась роковой. В декабре 1761г. скончалась императрица Елизавета, а с середины 1762г. сошли с политической арены покровители Ломоносова И. И. Шувалов и М. И. Воронцов. Всё это усложняло работу учёного, к тому же здоровье его сильно пошатнулось. Но, несмотря на многочисленные трудности, в мае 1762г. Ломоносов с помошниками приступил к работе над "Полтавской баталией". В декабре 1764г. мозаика была закончена, а в начале следующего года отшлифована, отполирована и вставлена в мелную раму.

"Полтавская баталия" — последняя работа, выполненная под руководством Ломоносова. Замысел учёного изготовить другую картину этой же серии — "Азовское взятие" остался неосуществлённым.

В апреле 1764г. Ломоносов был единогласно избран членом Болонской Академии Наук. С его достижениями в области мозаичного искусства итальянских учёных познакомил М. И. Воронцов. Получив признание своих заслуг как незаурядного художника, Ломоносов был полон творческих планов и замыслов. Но напряжённая работа над "Полтавской баталией" наряду с огромной научной деятельностью в других областях окончательно подорвала его здоровье. Тяжелобольной Ломоносов сильно переживал за судьбу мозаичного дела в России. Тревога была ненапрасной. Вскоре после смерти Ломоносова проект убранства Петропавловского собора был отвергнут. В 1768г. Усть-Рудицкая фабрика была закрыта. Так заглохло замечательное творческое начинание великого русского учёного, которому он отдал многие годы жизни.