Ухтомский являлся иеромонахом в миру, делегат Поместного Собора Русской православной церкви в 1917–1918 годах он активно участвовал в совещаниях по воссоединению со старообрядцами.

Алексей Алексеевич знал русскую историю, историю христианства и других религий, с увлечением рассказывал о старообрядчестве, о патриархе Никоне, протопопе Аввакуме и боярыне Морозовой.

Сам он имел в квартире молельню и долгие годы был старостой и активным деятелем Никольской старообрядческой церкви в Петербурге (в здании которой теперь расположен Музей Арктики и Антарктики). Вспоминают, что там он пел и даже «своим голосом как бы вел хор молящихся, а иногда выходил на середину храма для чтения текстов из священных книг».

Когда по всей стране началось изъятие церковных ценностей, прихожане его церкви их спрятали, Ухтомский был арестован, от него ничего не добились и вскоре отпустили, обязав прекратить религиозную пропаганду. Ухтомский владел семью языками, разбирался в богословии, философии, политэкономии, архитектуре, был живописцем и иконописцем, играл на скрипке.

В декабре 1917 года Ухтомский уехал в Рыбинск, где прожил в родном доме почти весь 1918 год. В конце 1918 – начале 1919 года дом был национализирован. 30 ноября 1920 года Алексей Алексеевич был арестован (был неосторожен при разговорах в научном обществе). Бумага от Петросовета спасла его от немедленного расстрела, Ухтомского отправили в Ярославский политический изолятор, затем в Москву в особое отделение ВЧК на Лубянке. В конце января 1921 года благодаря хлопотам друзей-учёных освобождён. Однако в Рыбинск больше не вернулся.

В 1922 году после смерти Введенского принял под своё начало кафедру физиологии человека и животных Петроградского университета. С 1935 года – директором основанного им Института физиологии Ленинградского государственного университета, а с 1937 года – и руководителем электрофизиологической лаборатории Академии наук СССР.

В 1932 году награждён премией имени Владимира Ильича Ленина. В 1933 году избран членом-корреспондентом, в 1935 году – действительным членом Академии наук СССР. В том же году он сделал доклад на пленарном заседании XV Международного физиологического конгресса на тему «Физиологическая лабильность и акт торможения».

Вот заключительные слова, сказанные Ухтомским в этом докладе, они очень примечательны:

«Наука соединяет людей через границы школ, – говорил Ухтомский, – через границы предубеждений и симпатий, через границы наций и государств. В эти дни (1935 год, до начала второй мировой войны оставались 4 года – Ю.Ч.), когда в воздухе опять носятся тревожные тени и события готовы назреть до сроков, при которых их нельзя уже будет остановить, международное единение учёных должно напрячь все силы, дабы оградить народы от бедствий и стать залогом международного мира. Что касается нас, советских физиологов, мы знаем, что рабоче-крестьянское правительство нашего Союза стоит бдительно на страже событий и сделает всё от него зависящее для укрепления мира».

Ухтомский глубоко переживал каждую лекцию, которую читал студентам. Лекциям предшествовала длительная подготовка. Неоднократно говорил, что не мыслит научной деятельности без чтения курса физиологии студентам. В аудиториях, где выступал Алексей Алексеевич, можно было видеть не только студентов и молодых научных работников, но и прославленных учёных.

Был замечательным лектором, иллюстрировал психологические законы примерами из художественной классики, особенно часто обращаясь к произведениям Льва Толстого и к легендам. Анализируя, например, «Сказание о невидимом граде Китеже и деве Февронии», говорил, что предатель Гришка не случайно прозван был Кутерьмой, потому что тот, кто с детства не имеет твердо установленных доминант и сам не способлен их правильно установить, тот имеет в голове «кутерьму», которая легко приводит к преступлению, предательству и даже самоубийству.

У него не было своей семьи, студентам он часто говорил: «Ведь я монах в миру! А монахом в миру быть ой, как трудно! Это не то, что спасать свою душу за монастырскими стенами. Монах в миру не о себе, а о людях думать должен!».

В 1941 году Ухтомский остался в блокадном Ленинграде, участвовал в организации работы учёных на нужды обороны, руководил актуальными для военного времени исследованиями по травматическому шоку. Умер 31 августа 1942 года в расцвете своих творческих сил и возможностей, не успев прочитать подготовленный за неделю до смерти доклад «Система рефлексов в восходящем ряду».

Рассказывали, что вечером накануне смерти около 20 часов Ухтомский сказал: «Матушка, можете быть свободной. Дверь не закрывайте. Спасибо. Завтра утром навестите…» Утром Алексея Алексеевича нашли лежащим на спине, со скрещенными руками. Огарок свечи был им затушен собственноручно нажимом пальца. На груди лежал «Псалтирь», открытый на главе «За упокой», умер он спокойно и имел возможность проверить когда-то высказанное им предположение: «Это та “буря мыслей” и томление, когда сталкивается, вспоминается, встает перед мыслью все пройденное, все выводы и впечатления жизни, как должно быть, бывает перед смертью». В тот же день было сделано все необходимое, чтобы похоронить его достойно. По решению исполкома Ленсовета это было сделано на Литераторских мостках Волкова кладбища. А последний день августа с тех пор стал днем памяти выдающегося ученого Алексея Алексеевича Ухтомского.