Целиком в духе символизма решены уже его ранние картины, где преобладают мотивы легенды или волшебного сна (Сон, 1911; Играющие мальчики, 1911; обе работы – в Русском музее, Петербург). Монументальным свидетельством творческой зрелости явилось знаменитое полотно Купание красного коня (1912) – простой сельский сюжет превращен (благодаря плавной ритмике форм и звучному локальному колориту) в поэтическое обобщение о судьбах России. Так же воспринимаются картины Мать (1913) и Девушки на Волге (1915). В своих новаторских монументально-декоративных работах (росписи в храме Василия Златоверхого в Овруче, 1910, Морском Никольском соборе Кронштадта, 1913, росписи и витраж в Троицком соборе города Сумы, 1915) Петров-Водкин выступает как замечательный мастер «церковного модерна». Религиозные мотивы порой одухотворяют и его светские композиции (1918 год в Петрограде (с фигурой Богоматери с Младенцем на первом плане), 1920; все картины – в Третьяковской галерее).

В 1910-е годы складывается особая художественно-теоретическая система Петрова-Водкина, где главную роль играет принцип «сферической перспективы», который позволяет ему, изображая натуру в ракурсах сверху и сбоку, передавать ощущение «земли как планеты». По-своему «планетарны», монументально-значительны даже его натюрморты (Селедка, 1918, Русский музей), портреты же воспринимаются как масштабные духовные вехи своего времени (Автопортрет, 1918; А.А.Ахматова, 1922; оба портрета – в Третьяковской галерее). Искренний «попутчик» революции, мастер создал эпически-идеализированные образы Гражданской войны (После боя, 1923, Центральный музей Вооруженных сил, Москва; Смерть комиссара, 1928, Русский музей). Но картина 1919 год. Тревога (1934, там же), с питерским рабочим, которого посреди ночи вызывают в ополчение, закономерно воспринимается как предчувствие сталинского «большого террора» с его ночными арестами, а многофигурное Новоселье (1937, Третьяковская галерея) –на тему «уплотнения бывших буржуев» – как сатира на новый быт.

Петров-Водкин часто (начиная с ранних подражаний М.Метерлинку) обращался к литературе, особенно в свой поздний период. Романтически-эмоциональны, весьма самобытны по жанру его Хлыновск (1930) и Пространство Эвклида (1933) – своего рода «вымышленные автобиографии», где причудливо сочетаются черты авантюрного романа, теоретического трактата и мемуаров. Плодотворно работал также как художник театра и педагог (преподавал в школе Е.Н.Званцевой (1910–1915) и Академии художеств (1918–1933).

Умер Петров-Водкин в Ленинграде 15 февраля 1939.