В 1764 году Екатерина II намеревалась совершить путешествие по волжским городам, при этом также посетив Нижний Новгород. Тогда Кулибин задумался о том, как сделать пристойные часы, чтобы поднести ее императорское величие, и, совсем скоро для того, чтобы часы приобрели яичную фигуру, он занялся рисованием рисунков.

Своими планами вскоре Кулибин поделился с купцом Костроминым, который согласившись расходы по изготовлению часов взять на себя, поставил условие, что свое творчество они преподнесут императрице вместе. Однако произошло так, что когда Екатерина II 20 мая 1767 года приехала в Нижний Новгород, часы были ещё не готовы. Кулибин, которого представил государыне губернатор, продемонстрировал ей электрическую машину, микроскоп и телескоп, которые он создал, а также преподнес оду, сочиненную в ее честь. Рассказ о часах очень сильно заинтересовал Екатерину II, которая и пригласила Кулибина приехать в Зимний Дворец, как только его «время вычислительная конструкция» будет готова.
В марте 1769 года Кулибин завершил работу над часами, и сразу же с купцом Костроминым уехал в Санкт-Петербург. «Диковинка», которая показывала время, и отбивала часы, половины и четверти часа, имела размеры, которые были чем-то средним между утиным и гусиным яйцом, и заключала в себе очень маленький театр-автомат. Каждый раз, спустя один час, створчатые двери раздвигались и открывали «златой чертог», в котором происходило целое представление. В 12 часов дня часы исполняли гимн, который был сочинен в честь императрицы, а после обеда звучал стих и новые мелодии. Причем, в любое время, благодаря специальному механизму, этот театр-автомат можно было включить.
Впечатление императрицы от увиденного было настолько великим, что она сделала предложение Кулибину возглавить в Академии наук механические мастерские, на что он, конечно же, дал свое согласие. Как говорилось в постановлении, изданной дирекцией Академии наук, Ивана Кулубина приняли в академическую службу для того, чтобы улучшить успех зависящих от Академии наук мастерств и художеств, приведя перед этом его к присяге. В жизни и творчестве прилежного ко всякому сотворения диковинных премудростей Кулибина, начинался новый, самый яркий, период в жизни.
В мастерских, которые создали ещё А.К.Нартов и М.В. Ломоносов, насчитывалось 6 отделений (столярное, инструментальное, барометрическое, токарное, пуансонное и оптическое), имеющие научно-исследовательское оборудование, хороший станочный парк и многопрофильный инструментарий.
По руководством Кулибина было сделано очень много, а именно: геодезические, акустические и гидродинамические приборы, астролябии, готовальни, электрические банки, подзорные трубы, телескопы, микроскопы, термометры, барометры, солнечные часы, точные весы, ватерпасы и др.
Также главный механик отечества тщательно занимался подбиранием молодых людей, которых он обучал мастерскому делу. Как писал сам Кулибин, мальчиков, которые были отданы ему в обучение, он должен был учить, не упуская времени, до и после полудня, все время улучшая условия их труда и быта. Также он постоянно занимался расширением мастерских, вся работа которых состояла в научных изысканиях Академии наук. Кулибин постоянно сотрудничал с знаменитыми учеными екатерининской поры, среди которых Л.Эйлер, его сын А.Эйлер, Э.Лаксман, С.Я. Румовский, С.К. Котельников, Н.И. Фусс и другие. Многие инструменты и машины, которые были созданы в мастерских, по уровню и качеству превосходили свои зарубежные аналоги. Разъяснительными текстами, которые получали неизменно высокие оценки ученых, сопровождались, как правило, конструкторские разработки. Проанализировав обширное наследие Кулибина, можно утверждать, что он был талантливым ученым и конструктором, который оставил своим потомкам оригинальные научные тексты и удивительные приборы.