Od 1905 do 1917 działał w partii eserowców. W maju 1917 wrócił do Rosji, udając się do Piotrogrodu, w styczniu 1918 zerwał z eserowcami i przystał do bolszewików, w październiku 1918 na polecenie Najwyższej Rady Gospodarki Narodowej zorganizował Centralne Laboratorium Chemiczne w Moskwie, którego następnie został dyrektorem, pozostając nim do końca życia; w 1931 laboratorium przemianowano na Instytutu Fizykochemiczny im. Karpowa. Był twórcą radzieckiej szkoły biochemicznej. W 1921 z jego inicjatywy został utworzony Instytut Biochemiczny Ludowego Komisariatu Ochrony Zdrowia RFSRR, w 1935 zorganizował Instytut Biochemiczny Akademii Nauk ZSRR, nazwany jego imieniem. W 1924 został członkiem korespondentem, a 12 stycznia 1929 członkiem rzeczywistym Akademii Nauk ZSRR, od 1939 do 1945 był akademikiem-sekretarzem Wydziału Nauk Chemicznych Akademii Nauk ZSRR. Jednocześnie od 1935 stał na czele Wszechzwiązkowego Towarzystwa Chemicznego im. Mendelejewa. Prowadził badania dotyczące oddychania komórkowego roślin i zwierząt, a także z dziedziny enzymologii. Po ataku Niemiec na ZSRR wraz z Instytutem Biochemicznym został ewakuowany do miasta Frunze (obecnie Biszkek), skąd wrócił do Moskwy w 1944. W latach 1926–1937 był członkiem WCIK, następnie deputowanym do Rady Najwyższej ZSRR 1 kadencji.